基于3D-ILC含不同角度内裂纹圆盘断裂特性研究

巴西圆盘试验是力学领域的一个经典试验,含裂纹的圆盘试验多集中于二维或表面裂纹,但含内裂纹的I-II-III型断裂研究一直较为落后。基于3D-ILC技术,在对巴西圆盘试样表面无任何影响的情况下,凭空生成任意参数的内裂纹,开展含不同角度内裂纹的及完整巴西圆盘试样试验,对裂纹扩展过程、应力双折射规律、裂纹起裂及破坏荷载进行分析,并与已有文献进行对比,开展三维内裂纹I-II-III型断裂数值模拟,分析KI,KII,KIII分布规律及实现裂纹扩展全过程模拟,规律与试验相符。结果表明:①3D-ILC在断裂力学试验中的优势得到证明,为断裂力学中的内裂纹及I-II-III型断裂问题的研究奠定了基础。②与完整试样匀称连续的应力云纹分布相比,含内裂纹试样应力云纹集中于内裂纹尖端,呈花瓣状,色差对比显著。③30°内裂纹被括弧状破坏面切断;60°内裂纹上下尖端出现I-II型翼裂纹扩展,侧面出现III型裂纹叠加;90°内裂纹试样,沿内裂纹面扩展破坏,为纯I型破坏。④与完整试样破坏荷载相比,含30°,60°,90°内裂纹试样破坏荷载分别下降10.7%,60.6%,89.2%;30°,60°,90°内裂纹起裂与破坏荷载比分别为100%,11.7%,15.6%。⑤数值模拟与物理试验特征一致。结论与成果对断裂力学领域的三维内裂纹、I-II-III型断裂问题的研究提供了试验与理论基础。     

保持加载下岩石变形记忆效应时效特征规律研究

作为岩石基本属性的变形记忆效应(deformation memory effect,DME)具有时效特性,加载保持时间(Tc)对岩石DME的影响是其时效特性之一。选用砂岩及2种花岗岩材料,开展不同Tc下的物理试验,对记忆信息形成精度及应变差幅值等进行分析,并基于岩石内部多微结构面间的黏弹性摩擦滑动理论,采用岩石三元件构建基本记忆单元理论模型,进行不同Tc下DME力学理论研究,结果表明:(1)随Tc增加,2种花岗岩和砂岩的记忆信息形成精度明显提高,应变差幅值逐渐减小;(2)记忆理论模型的记忆信息形成精度和应变差幅值的变化规律和物理试验保持一致,即基于多微结构面的记忆理论模型能够描述不同Tc下的岩石DME宏观行为;(3)Tc增加到一定幅度时,记忆信息形成精度和应变差幅值趋于不变,并提出当应变差幅值稳定时,此时为最佳Tc。结论给出了保持加载下岩石DME时效特性变化规律,为岩石DME时效性研究提供了试验及理论基础。     

岩石变形记忆效应:应用、试验与理论

基于岩石变形记忆效应DMEDRA法,为准确便捷测量初始地应力提供了全新的思路,国际上及中国台湾的一系列实践应用证明了其巨大的潜力。但是,岩石变形记忆效应的研究和工程应用在中国(除中国台湾外)刚起步,同时,试验及理论的系统性研究整体上落后于工程应用,成为制约DMEDRA法成熟和普及的瓶颈问题。因此,开展岩石变形记忆效应的应用、试验、理论的研究进展综述具有重要意义。首先给出岩石DMEDRA法的基本概念,然后给出在国际上的应用实践现状;从7个方面的内容对试验研究进展进行系统性评述:(1)岩石变形记忆DRA曲线特征;(2)岩石变形记忆效应的失忆性;(3)人工记忆与地应力记忆;(4)初始加载保持时间;(5)初始加载重复次数;(6)记忆存在应力区域;(7)三维应力记忆特征;详细探讨各方面成果及不足;探讨了岩石变形记忆效应形成机理的两种认识及相应的理论模型,深入剖析现有研究结论与进展揭示存在的挑战,最终给出研究方向与建议。为推动国内开始开展岩石变形记忆效应的研究与应用提供基础。     

基于激光-介质损伤的三维内裂纹3D-ILC实现

在材料内部制作可用于试验的真实、可控的三维内裂纹,一直是断裂力学中的基础性难题。针对此瓶颈,提出了通过电磁场在试样内部制造等离子体进而制作任意宏观三维内裂纹的全新方法“3D-ILC”,实现了“内科手术式”制作内裂纹而对表面无任何影响。首先综述传统的脆性材料的内裂纹制作方法及不足,然后给出激光-介质损伤的基本原理与3D-ILC实现方法,给出基于3D-ILC技术的单裂纹、随机多裂纹、双X形内裂纹试样实例。通过经典的单轴压缩与巴西圆盘试验,证明3D-ILC在断裂力学三维内裂纹断裂力学研究中的可用性。结果表明：3D-ILC相对于传统方法具有以下优势：①可观测性强;②简便、快速、高效;③裂纹真实;④试样均质度、脆性度高、完整性强;⑤裂纹数量、尺寸可控。3D-ILC的提出,解决了断裂力学百年来在材料内部实现任意可控宏观三维内裂纹这一基本问题,使原本复杂和高门槛的三维内裂纹扩展断裂研究具备“平民化”的特征,对于推动断裂力学中内裂纹及三维问题的研究,具有重要意义。     

基于3D-ILC单轴拉伸双平行内裂纹扩展规律研究

多裂纹相互作用是断裂力学研究的重要内容,但是针对单轴拉伸下的三维多内裂纹相互作用研究较少。基于3D-ILC技术,在完整立方体试件中生成三维双平行内裂纹,对不同错距d开展单轴拉伸试验,分析了断裂过程、应力云纹、起裂与破坏荷载及断口特征,基于M积分和MTS准则开展裂纹扩展路径及相互作用模拟。结果表明：①内裂纹错距为2 mm时相互“吸引”,错距为6与10 mm先相互“吸引”后“排斥”;②三维双内裂纹单轴拉伸下具有“合并分界”、“漏斗状”特征等断裂形态,其中裂纹中心侧发生I-II型复合断裂,外侧发生纯I型断裂;③初始应力云纹在预制裂纹尖端呈现“花瓣状”,裂纹相互“吸引”过程中应力云纹在中心侧裂纹尖端呈现“括弧状”;④试样强度与裂纹间错距成正比,错距为2,6,10 mm抗拉强度相对完整试样下降百分比分别为63.39%,50.79%,41.09%。起裂荷载与最终破坏荷载的比值分别为12.92%,15.16%,13.57%;⑤基于M积分,得出内裂纹I、II型应力强度因子分布规律,基于MTS裂纹扩展判据,实现三维双内纹的相互作用扩展全过程数值模拟,与试验一致。研究结果为三维双平行内裂纹相互作用研究提供试验与理论基础。