横观各向同性体三维裂纹的瞬态扩展

讨论一对集中力作用下横观各向同性体三维裂纹的瞬态扩展问题,其解答构成三维裂纹瞬态扩展问题的基本解。求解方法是基于积分变换技术,将混合边值问题化为Wiener-Hopf型积分方程,求得了裂纹所在平面应力和位移的封闭形式解。进一步利用Abel定理和Cagniard-de Hoop方法,求得了动态应力强度因子的精确解。最后通过数值结果揭示了横观各向同性材料三维扩展裂纹尖端场的动态特性。     

横观各向同性体中的埋藏裂纹

本文采用奇异积分方程法分析了横观各向同性体中的埋藏裂纹。建立了张开型埋藏裂纹的Cauchy型奇异积分方程。当裂纹面和弹性对称轴垂直时,得到的裂纹张开位移方程的求解与各向同性情况类似。当裂纹面和弹性对称轴平行时,根据加权余量法,建立了弱解方程。给出两个算例,计算了圆形裂纹和椭圆形裂纹上的张开位移分布。数值结果表明:本文的方法是有效的。横观各向同性体中,埋藏裂纹方位任意时的裂纹张开位移方程,根据本文的方法易于得到。     

含层理页岩气藏水力压裂裂纹扩展规律解析分析

页岩气蕴藏在页岩层中,页岩层的层理性构造使其水力压裂裂纹扩展与常规均质储层不同.为研究页岩储层水力压裂的裂纹扩展规律,基于复变函数保角变换,得出裂纹尖端应力集中解,考虑页岩非均质、强度各向异性特点,通过比较裂纹沿各方向扩展所需的裂缝尖端水压力,推导出水力压裂裂纹垂直于最小地应力方向稳定扩展过程中在斜交层理后的扩展判据.分别定义了水力压裂裂纹在层理处起裂和沿层理扩展的弱层和岩石基体临界强度比,根据两个临界强度比确定水力压裂裂纹遇层理时在层理处起裂和沿层理扩展的层理弱面强度范围,以此表示水力压裂裂纹转向层理扩展的难易程度.通过对裂纹扩展判据的分析得出：层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角和层理倾角的减小以及第三主应力和岩石基体强度的增大而增大;层理走向角小于35.26°时,层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而增大;反之,层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而减小;层理扩展弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角、层理倾角和地应力差的减小以及岩石基体抗拉强度的增大而增大.层理起裂条件与层理扩展条件同时满足时,水力压裂裂纹转向层理方向扩展.     

横观各向同性材料三维裂纹问题的数值分析

严格从三维横观各向同性材料弹性空间问题的Green函数出发,采用Hadamard有限部积分概念,导出了三维状态下单位位移间断(位错)集度的基本解.在此基础上,将三维任意形状的片状裂纹问题归结为求解-组以未知位移间断表示的超奇异积分方程;并给出了边界元离散形式.对方程中出现的超奇异积分,采用了Had-alnard定义的有限部积分来处理.论文最后给出了若干典型片状裂纹问题的数值算例,数值结果表明了本文方法是非常有效的.     

半无限横观各向同性体中共面双裂纹边界元分析

基于双横观各向同性材料基本解的对偶边界元方法,分析了半无限横观各向同性材料中两条共面裂纹的相互作用问题。裂纹面上分别作用着法向和切向两种均布荷载,材料的各向同性面及裂纹面平行于半无限域自由面。数值计算得到了该类裂纹的应力强度因子(SIF)值和两条共面裂纹相互作用的SIF值影响系数。根据数值结果分析了自由面对该类裂纹SIF值的影响,以及裂纹间距与形状、自由面对SIF值影响系数的影响。结果表明,自由面对作用法向力时的该类裂纹SIF值有明显的影响,裂纹间距与形状对SIF值影响系数影响较大,但自由面对SIF值影响系数基本无影响。     

横观各向同性轴对称界面端奇异性研究

套筒模型是复合材料中常用的进行纤维、基体间应力传递分析的轴对称模型.在套筒模型中,中心为纤维,纤维外包裹的\"套筒\"有假设为各向同性基体材料的,也有假设为横观各向同性复合材料的.不失一般性,本文将纤维和基体均视作横观各向同性材料,建立了任意楔形角的横观各向同性复合材料基体包裹横观各向同性纤维的轴对称模型,采用两次坐标变换、逐次渐近等求解方法,得到了求解该模型界面端应力奇异性指数的特征方程.考虑常见的碳纤维/环氧树脂复合材料制成的压入和拔出试件,根据得到的特征方程计算了两种试件的界面端奇异性指数随碳纤维体积百分含量的变化情况,结果发现,随纤维体积百分含量的增加,两种试件界端的奇异性均呈减弱趋势.     

复合型运动荷载作用下横观各向同性体三维裂纹的应力强度因子

讨论横观各向同性体中含一半平面裂纹,在裂纹面上作用有运动点荷载的三维复合型应力强度因子历史.通过积分变换技术,最终将问题归结为求解Wiener-Hopf型积分方程组.该文给出了求解这一类积分方程组的一般性方法.在此基础上,基于Abel定理和Cagniard-de H oop方法,求得了Ⅱ、Ⅲ型复合应力强度因子的解析解.最后通过数值结果揭示了横观各向同性材料三维裂纹尖端场的动态特性.     

水力压裂中裂纹扩展的数值模拟

水力压裂是在高压粘滞流体或清水作用下地层内裂缝起裂与扩展的过程。由于包含岩石断裂和流-固耦合等复杂问题,对该过程的数值模拟具有相当大的挑战性。本文建立基于有限元与离散元混合方法的裂纹模型,模拟岩石裂纹扩展,实现了连续向非连续的转化;建立双重介质流动模型,裂隙流作为孔隙渗流的压力边界,孔隙渗流反作用裂隙的压力求解,处理了流体在基岩与人工裂缝中的协调流动;将裂纹模型与流体流动模式进行结合,建立断裂-应力-渗流耦合形式的力学模型,进一步分析了水力压裂的基本过程,综合多种数值计算方法,编写程序,在验证岩体裂纹模型与双重介质流动模型有效性的基础上,对压裂过程进行复现,将模拟结果与文献结果进行了对比,并讨论了所构建模型的优缺点。     

缺口裂纹起裂和扩展检测的直流电位法

本文从解析法、有限元分析和试验三方面探讨了直流电位法用于缺口问题的有效性。当缺口宽度与试样宽度之比较小时(如小于0.05),根据电位的改变量,解析法才能给出缺口裂纹扩展满意的推算.分析和试验说明,利用电位的改变反推缺口裂纹的扩展时,必须引入由于变形引起的缺口宽度变化对电位影响的修正.     

压剪条件下预埋椭圆裂纹三维扩展实验研究

本文首先试制了透明的低温树脂材料和非透明的砂浆类材料.然后,通过实验研究了这两种材料内置椭圆形裂隙的三维始裂、扩展过程及其破裂过程中声发射信号特征,并采用三维断裂理论确定了内部裂纹的三维始裂状态.实验结果表明,在单轴压缩荷载作用下,两种材料中内置裂隙初期破裂面形态基本一致,均为一对反对称的包裹状翼裂纹,但初始起裂位置有所不同.透明树脂试样中,初始的新生裂纹几乎在预制裂纹长轴端部附近同时起裂,但起裂点并不在裂隙长轴端部,而在砂浆类材料内的起裂位置则靠近短轴端部,亦不在短轴端部.相同条件下,两种材料的最终破裂状态明显不同,透明树脂试样是以宏观劈拉破裂为主,而砂浆类试样则以宏观剪切破裂为主,这可能与材料性质和三维裂隙的起裂位置不同有关.本文的三维断裂分析结果与实验一致.     

非连续问题中单元分割的模板方法

扩展有限元法 (extended finite element method, XFEM) 因具有裂纹几何独立于模拟网格、裂纹扩展时无需网格重分重映、计算精度高等优点,成为裂纹分析的主流数值方法之一. 但该方法在工程实践中存在单元被裂纹分割的几何困难 —— 现有精确几何分割方法实现复杂、计算量大、鲁棒性差. 为克服这一困难, 本文提出一种基于单元水平集的模板分割方法, 用于非连续单元子剖分和数值积分. 首先, 遍历单元水平集值所有形态并建立标准单元分割模板库; 然后, 根据单元水平集值, 对非标准单元进行形态查询和模板插值; 最后, 套用标准单元分割模板实现单元高效分割和子剖分. 将该方法与常规XFEM、改进型XFEM进行结合,从而应用于孔洞、夹杂、裂纹等非连续问题分析中. 算例分析表明, 本文提出的模板分割方法具有较高计算精度. 由于不引入复杂几何操作, 该模板分割方法同时具有较高计算效率和鲁棒性, 故可为XFEM类方法在实际工程应用中提供有效支撑.     

断裂力学判据的评述

从Inglis 和Griffith 的著名论文到Irwin 和Rice 等的奠基性贡献,对断裂力学中的线弹性断裂力学的K判据,界面断裂力学的G判据,和弹塑性断裂力学的J 判据作了扼要的综述. 介绍了在界面断裂力学G判据的基础上提出的界面断裂力学的K判据,以说明断裂力学的判据存在改进的可能性. 在综述中归纳出断裂力学判据中目前还没有较好解决的几个问题. 在总结以往断裂力学研究经验的基础上,指出裂纹端应力奇异性的源是对断裂力学判据存在的问题作进一步研究的切入点. 探讨了裂纹端应变间断的奇点是裂纹端应力奇异性的源的问题,从而对裂纹端应力强度因子的物理意义进行了讨论. 最后,阐述了进行可靠的裂纹端应力场的弹塑性分析是改进弹塑性断裂力学判据的关键,而进行可靠的裂纹端应力场的弹塑性分析的前提是要通过裂纹端应力奇异性的源的研究来获得作用在裂纹端的造成裂纹端应变间断的有限值应力.     

An energy-based crack growth criterion for modelling elastic–plastic ductile fracture

A crack growth criterion is derived based on the Griffith energy concept and the cohesive zone model for modelling fracture in elastic–plastic ductile materials. The criterion is implemented in the finite element context by a virtual crack extension technique. An automatic modelling of the ductile fracture process is realised by combining a local remeshing procedure and the criterion. The validity of the derived criterion is examined by modelling a compact tension specimen.     

射孔水平井室内水力压裂物理模拟试验研究

开展射孔水平井的室内水力压裂物理模拟试验,对于深入认识水力压裂裂缝的起裂延伸规律和空间展布形态具有重要意义。利用伺服控制的岩石真三轴试验系统,进行人工岩芯不同水平井井筒方位角的水力压裂试验,通过分析全过程记录的泵压参数,结合裂缝三维扫描和裂缝剖切形态观察等方法,初步探讨了射孔水平井水力压裂裂缝的起裂及扩展规律。得出以下结论：试验岩样的泵压曲线均发生了多次波动,表明水力压裂裂缝的起裂及扩展是分多阶段完成的,尤其当水平井井筒方位与水平主应力方向成一定夹角时,泵压曲线的波动次数较多,不易形成压力平台;试验岩样的裂缝均起裂于射孔处,裂缝形态为空间T型裂缝和空间转向裂缝,并且均有扩展至垂直水平最小主应力方向平面上的趋势;结合泵压曲线分析和裂缝形态观察,可以更深入地了解水力裂缝的整个起裂及扩展过程。本文的研究成果可为人工岩芯水力压裂试验的开展和工程现场储层的压裂改造提供技术支持。     

Strip yield zones around ring-shaped crack in transversely isotropic thick layer

A ring-shaped crack under uniform load in an infinitely long elastic–perfectly plastic thick layer is considered. The problem is formulated for a transversely isotropic material by using integral transform technique. Due to the geometry of the configuration, Hankel integral transform technique was chosen and the problem was reduced to a singular integral equation which is solved numerically by using Gaussian Quadrature Formulae and the values were evaluated at discrete points. The plastic zone widths were obtained by using the plastic strip model after stress intensity factors were obtained. Numerical results are plotted for various ring-shaped crack sizes and transversely isotropic materials. It was found that the width of the plastic zone at the inner edge of the crack was greater than the outer one.     

Stress concentration around a circular hole in a transversely isotropic spherical shell

Analytical expressions for the stresses near a circular hole in a transversely isotropic shallow spherical shell under uniform pressure are derived. The form of the solution depends on the range of change in the compliance to transverse shear. The influence of the relative radius of the hole and the compliance to transverse shear on the stress concentration is analyzed.__________Translated from Prikladnaya Mekhanika, Vol. 40, No. 12, pp. 99–106, December 2004.     

765THE CUT-AND-TRY METHOD IN DETERMINING THE SATURATE SPACING OF TRANSVERSE CRACKS OF COMPOSITE LAMINATES

I.IntroductionTransversecracksfirstoccurinthe9o"plyandspreadalongtheentirewidth.Withstaticorcyclicloadadding,thenumberoftransversecracksinthepliescontinuous1yincreases,lastinguntilthedistributionofcracksreachesasaturatestate.Theoccurrenceoftransversecrack…     

The cut-and-try method in determining the saturate spacing of transverse cracks of composite laminates

In this paper, the saturate spacing of transverse cracks of the 90° ply is originally calculated by the 3-D finite element method. Thus, a new approach is put forward for predicting the saturate spacing of transverse cracks.