基于扩展有限元法的混凝土断裂参数研究

基于扩展有限元法(XFEM),对混凝土三点弯曲梁的开裂过程进行数值模拟,获得加载全过程的荷载-裂缝口张开位移(P-CMOD)曲线以及裂缝扩展过程;对比数值模拟和试验获得的P-CMOD曲线发现,二者比较吻合,验证了数值模型的可靠性;通过XFEM和电子散斑干涉技术获得整个加载过程的断裂过程区(FPZ)长度,二者吻合程度较高,表明XFEM可用于预测FPZ长度;基于XFEM分析了初始缝高比对混凝土断裂参数的影响。结果表明:FPZ长度随着裂缝的扩展而增加,当FPZ完全发展后,其长度逐渐减小;峰值荷载时和发展完全时的FPZ长度均随初始缝高比的增大而减小;随着初始缝高比的增大,起裂韧度KIicn i基本不变,失稳韧度KIucn和临界裂缝尖端张开位移(CTODc)呈减小趋势。     

循环加载条件下混凝土Ⅰ型裂缝扩展模拟的接触算法

沿裂缝可能开展路径设置接触点对,把求解接触问题的有限元混合法进行扩展,以实现循环加载条件下混凝土Ⅰ型裂缝扩展的数值模拟.根据荷载过程状态和缝面接触状态的不同,将循环荷载作用下的混凝土本构关系抽象为力学模型中的六种不同接触状态,不同的接触状态对应着不同的位移-应力曲线关系.以缝面张开位移和接触应力作为接触状态转变的判断参量,并给出了各状态的转变关系和数值判断条件,以接触算法实现了循环加载条件下混凝土Ⅰ型断裂扩展的数值模拟.首先给出了有限元混合法求解接触问题的基本思路,然后引入循环荷载下的混凝土本构关系,再对Ⅰ型裂缝扩展的数值实现方法进行了阐述,最后通过数值算例说明了数值实现方法的正确性和有效性.     

基于ESPI和DIC技术的混凝土断裂特性研究及对比分析

采用电子散斑干涉(ESPI)技术和数字图像相关(DIC)技术对带预制裂缝的三点弯曲混凝土梁进行了测量,研究了普通混凝土(混凝土强度f_(cu)=33.2MPa)和高强混凝土(f_(cu)=65.1MPa)的断裂特性。结果表明:各组试件的P-δ曲线离散性较大,但P-CMOD曲线吻合度较高,在峰值荷载处,临界裂缝尖端张开位移(CTOD_c)分别为21mm和29mm;从试验裂缝张开位移(COD)曲线确定裂缝扩展长度,两种混凝土的裂缝扩展长度与韧带高度之比分别为1∶4和1∶3。分析了两组试件的荷载-裂缝扩展长度关系规律。与夹式位移计测量结果对比发现,ESPI和DIC均可替代传统测量仪器得到比较准确的测量结果,当试件变形较大(CMOD0.25mm)时,ESPI的测量误差较大,而DIC误差一直保持在0.03mm以内。分析了两种技术测量误差产生的原因,对降低实验误差提出了一些建议。     

混凝土三点弯曲梁裂缝断裂全过程数值模拟研究

考虑裂缝黏聚力的作用,基于Paris位移公式推导出混凝土三点弯曲梁裂缝扩展过程中断裂过程区上的裂缝张开位移的解析表达式.采用起裂韧度作为裂缝起裂及扩展的判断标准,提出了荷载作用下混凝土裂缝起裂、扩展及失稳破坏全过程的数值模拟方法,并分别与国内外断裂试验实测值及有限元计算值进行了比较.结果表明,本文提出的数值模拟方法形式简单且精度较好.     

EXPERIMENT STUDY OF I TYPE CRACK BLUNT EXTENSION INDUCED BY WEAK PLANE1)

天然裂缝或层理等弱界面的剪切破坏是体积压裂裂缝网络形成的关键因素。利用数字散斑相关技术,通过三点弯曲构建了I型裂缝经过弱界面时的扩展特性实验,获得了试件表面位移场和应变场的变化规律。实验结果表明：I型裂缝扩展至弱界面层后,裂缝发生短暂停滞扩展,裂缝尖端张开位移迅速增加,I型裂缝尖端钝化,弱界面剪切应变迅速增加,裂缝由I型裂缝转变为I-II复合型裂缝并转向扩展。     

Ⅰ型裂缝经弱界面钝化扩展实验研究

天然裂缝或层理等弱界面的剪切破坏是体积压裂裂缝网络形成的关键因素。利用数字散斑相关技术,通过三点弯曲构建了Ⅰ型裂缝经过弱界面时的扩展特性实验,获得了试件表面位移场和应变场的变化规律。实验结果表明:Ⅰ型裂缝扩展至弱界面层后,裂缝发生短暂停滞扩展,裂缝尖端张开位移迅速增加,Ⅰ型裂缝尖端钝化,弱界面剪切应变迅速增加,裂缝由Ⅰ型裂缝转变为Ⅰ--Ⅱ复合型裂缝并转向扩展。     

准脆性材料黏聚阻裂的计算与实验

工程常用材料铸铁混凝土等,在裂缝前端区域有微观及宏观缺陷的变化及能量耗散,表现为准脆性损伤断裂特点.若把该阻止裂缝扩展与张开的损伤发展区简化成虚拟裂纹,将存在裂纹黏聚分布力与变形或张开位移;讨论了与此相关的黏聚裂纹力学模型及方程解答说明.相应于黏聚张开位移有微细观测图与实验测试数据,给出黏聚裂纹模型的解析计算方法,并将理论计算与实验测试数据进行了对比.以双K断裂准则和黏聚模型为基础,给出对含裂纹结构的承载力的预估计算.理论计算比较符合实验结果.     

粘弹性双材料界面裂缝的缝端位移场及动态断裂分析

本文研究的是经常在实际工程中遇到的粘弹性双材料界面裂缝的动断裂问题.由于粘弹性自身的复杂性,使得粘弹性双材料界面裂缝缝端应力的奇异性较弹性呈现出更为复杂的形式,从而使动断裂问题的分析变得更为困难.根据此情况,本文采用复阻尼理论反映粘弹性体的运动规律,用复势理论和平面问题复变函数解答的科洛索夫公式推导了粘弹性双材料界面裂缝缝端位移场及动态应力强度因子的求解公式,利用特解边界元进行了粘弹性双域耦合动力响应计算,按求得的公式用位移外推法计算了单边裂纹板在动荷载作用下的动态应力强度因子.分析了粘性,弹模比和缝长对动态应力强度因子的影响,得出了一些有益的结论.     

页岩气藏压裂缝网扩展数值模拟

为探究页岩气藏水力压裂复杂裂缝网络的形成机理,开展了缝网扩展的数值模拟研究.考虑应力阴影和天然裂缝作用,建立了井筒和裂缝中流体流动模型,利用位移不连续方法求解应力与位移不连续量,然后构建了压力与裂缝宽度的迭代方程,并采用牛顿迭代法求解.通过比较数值解经典模型解析解,验证了模型和迭代解法的正确性.多簇裂缝同步扩展时裂缝间距越小,压裂液分配到各条裂缝越不均匀,靠近井筒跟部的裂缝的分流量越大,从而裂缝宽度越大;考虑天然裂缝作用时,逼近角越小或者应力各向异性越弱,水力裂缝越容易发生转向扩展,裂缝网络越复杂.      

大骨料混凝土缝端张开位移（COD）

本文通过对大骨料全级配水工混凝土的系列三点弯曲梁试验表明;混凝土缝端临介张开位移 COD 具有明显的尺寸效应,COD 不能作为控制混凝土失稳断裂的材料参数;骨料最大粒径 D_max对 COD 无明显影响。     

低速冲击下混凝土少筋梁断裂性能

动态加载下,混凝土中钢筋的阻裂性能一直是冲击动力学研究领域的难点之一。利用落锤试验机对含缺口的混凝土少筋梁进行三点弯曲试验,分析了不同加载速率下梁的冲击力、跨中挠度、混凝土起裂应变率和钢筋应变。实验结果表明:在一定加载速率范围内（0.885～1.252 m/s）,混凝土预制裂缝尖端的裂纹起裂应变率、冲击力最大值、跨中挠度峰值与加载速率呈线性增长关系,当加载速率增至1.771 m/s时,增长趋势减弱;冲击力卸载时,钢筋部分弹性变形恢复导致裂纹产生闭合,裂纹嘴张开位移逐渐减小至恒定值,对裂纹嘴张开位移峰值前的部分曲线进行拟合后得到裂纹嘴张开位移率,结果表明裂纹嘴张开位移率随加载速率的提高而线性增大。     

冷喷涂试件疲劳裂纹扩展规律试验研究

冷喷涂作为一种新兴的表面处理技术,广泛应用于增材制造和零部件修复等领域。为了探究冷喷涂处理后Q355钢基体的疲劳裂纹扩展规律,对2组标准单边缺口3点弯曲试样进行了冷喷涂处理。在光滑的Q355B钢基材表面分别沉积了纯Al和A5052铝合金涂层,然后对冷喷涂试件和一组未喷涂光滑试件进行了3点弯曲疲劳试验,得到了裂纹尖端张开位移和裂纹长度、裂纹扩展速率和荷载循环次数的规律曲线并进行了对比分析。结果表明：在裂纹扩展长度相同的情况下,冷喷涂试件和未喷涂试件的裂纹尖端张开位移基本相同,且随着疲劳裂纹的延伸,裂纹尖端张开位移也随之快速增大;在一定的裂纹尖端张开位移范围内,冷喷涂处理可以降低疲劳裂纹扩展速率;采用裂纹尖端张开位移作为疲劳裂纹扩展控制参数对冷喷涂试件的疲劳裂纹扩展规律进行判定是准确的,且裂纹尖端张开位移通过试验容易获得,简单方便,可以同时满足裂纹尖端弹性和塑性的情况。     

预制裂缝对煤系页岩水力压裂效果影响的试验研究

为研究预制裂缝对煤系页岩水力压裂效果的影响,以阜新孙家湾矿煤系页岩为研究对象,采用三轴水力压裂试验设备进行实验室压裂模拟试验。以清水为压裂液,通过对试件施加轴压和围压模拟煤系页岩所处地应力状态。利用声发射仪监测试验过程中的能量释放特征,分析了预制裂缝布置方式和水平应力差对注水压力及声发射能量信号的影响。研究结果表明:采用双预制裂缝180°相位角的布置方式,试件裂缝扩展程度最高,水力压裂效果最佳;模拟试验中,声发射能量曲线峰值之后的平稳阶段与水力裂缝二次扩展阶段相对应;水平应力差增大使最大注水压力降低,加快了预制裂缝的扩展速度,有利于水力裂缝的起裂扩展和二次扩展;水平应力差为0.2MPa时预制裂缝扩展最快,裂缝扩展程度最大,压裂效果较好。     

缝水压力和裂缝面接触条件对重力坝裂缝扩展影响

基于多边形比例边界有限元模拟了重力坝裂缝扩展过程,综合考虑了坝-库水-地基相互作用、裂缝面接触和缝水压力的影响。其中该接触模型能够有效防止裂缝面的相互嵌入;该缝水模型除能考虑裂缝面开合速度、缝隙宽度和水流形态对缝水压力分布的影响,还可基于连续性条件模拟缝内水体流动和空化的现象。以Koyna坝裂缝扩展为例,研究了裂缝面接触条件和缝水压力对计算结果的影响。结果显示,考虑接触的影响,震损较为严重。而与假定为常水压力分布的情况相比,实际的缝水压力分布形式对结果影响较为复杂。在裂缝张开时,减小了裂缝扩展的可能,而在裂缝闭合时正好与之相反。     

准脆性材料损伤破坏的细宏观联结分析

准脆性材料在外力作用下不仅产生应力与变形,而且还会内部缺陷或微裂纹随着变化和出现宏观裂缝扩展.根据材料的微细观测,通过固体力学原理建立模型分析其微裂纹与宏观裂缝之间的关联.材料中宏观裂缝端部通常存在损伤区,且在该区内存在许多相对微小缺陷或微裂纹,从而使得材料局部变形增加而力量减弱.若把该损伤带视为裂缝一部分,那么在该虚拟裂缝两岸上将存在分布黏聚力;虚拟裂缝两岸的相对位移将是微裂纹区变形及扩展的综合体现.为此,对包含有细观裂纹的代表性体积单元进行力学计算,然后将其嵌入到宏观裂缝端部损伤带的变形计算中,以探寻固体失效的细观与宏观尺度力学分析的联结,并与实测数据相对比.     

光弹贴片法研究砼在疲劳荷载作用下裂缝扩展过程

为了研究疲劳荷载作用下砼裂缝扩展过程,本文采用光弹贴片法对尺寸为200mm×200mm×200mm的楔入劈拉试件预制裂缝稳定扩展直至失稳破坏全过程进行了系统的研究,并采用照相机拍摄了光弹贴片所显示的裂缝扩展全过程,得到了砼裂缝长度随疲劳次数的增加而稳定扩展的完整而直观的观测结果．根据光弹贴片所显示的彩色条纹序列,还测得了疲劳荷载作用下砼裂缝尖端附近的主剪应变差分布．试验表明,采用光弹贴片法可有效地测定疲劳荷载作用下砼裂缝扩展过程．     

多簇压裂干扰应力变化规律及对裂纹扩展的影响

为研究水平井分段多簇压裂缝间的干扰应力及其对裂纹扩展的影响,在现有二维未考虑地应力的单裂缝干扰应力解析解的基础上,利用双平面复变函数保角变换得到了包含地应力项的三维干扰应力解析解。基于扩展有限元法建立三维多裂缝扩展力学模型,利用Python脚本二次开发平台实现了三维多裂缝水力压裂参数化建模,通过解析解与数值计算对比分析,得到如下结论。裂纹两侧裂纹面法向和走向干扰正应力分别为压应力和拉应力,均呈纺锤形,法向干扰应力影响范围大约为走向干扰应力的5倍;裂纹尖端裂纹面法向和走向干扰正应力分别为拉应力和压应力;裂纹尖端两侧存在干扰剪应力;考虑初始地应力对干扰应力解析解进行修正后的干扰应力值均变小;多簇压裂中裂缝间的干扰应力叠加,簇间距越小,叠加效果越强;多簇压裂的干扰应力使裂缝间裂纹面法向压应力增大,走向压应力减小,导致裂纹扩展注水压力升高,裂缝张开的宽度降低,不利于单裂缝的扩展;干扰应力使裂缝间应力差降低,甚至局部最小地应力方向发生改变,有利于形成复杂缝网。     

多簇压裂干扰应力变化规律及对裂纹扩展的影响

为研究水平井分段多簇压裂缝间的干扰应力及其对裂纹扩展的影响,在现有二维未考虑地应力的单裂缝干扰应力解析解的基础上,利用双平面复变函数保角变换得到了包含地应力项的三维干扰应力解析解。基于扩展有限元法建立三维多裂缝扩展力学模型,利用Python脚本二次开发平台实现了三维多裂缝水力压裂参数化建模,通过解析解与数值计算对比分析,得到如下结论。裂纹两侧裂纹面法向和走向干扰正应力分别为压应力和拉应力,均呈纺锤形,法向干扰应力影响范围大约为走向干扰应力的5倍;裂纹尖端裂纹面法向和走向干扰正应力分别为拉应力和压应力;裂纹尖端两侧存在干扰剪应力;考虑初始地应力对干扰应力解析解进行修正后的干扰应力值均变小;多簇压裂中裂缝间的干扰应力叠加,簇间距越小,叠加效果越强;多簇压裂的干扰应力使裂缝间裂纹面法向压应力增大,走向压应力减小,导致裂纹扩展注水压力升高,裂缝张开的宽度降低,不利于单裂缝的扩展;干扰应力使裂缝间应力差降低,甚至局部最小地应力方向发生改变,有利于形成复杂缝网。     

光弹贴片法在混凝土裂缝扩展过程研究中的应用

采用光弹性贴片法对平面尺寸为３．６×３．０，３．０×２．５，２．４×２．０，１．８×１．５，１．２×１．０，０．６×０．５ｍ＾２的巨型紧凑拉伸试件预制裂缝的起裂，稳定扩展至失稳破坏的全过程进行了系统的研究，实验结果表明，在试件高达１米以上的实验范围内，失稳破坏前裂缝稳定扩展长度几乎是一个稳定的常数值，且与试件初始缝长ａｏ无关。还发现，宏观裂缝的起裂早晚与初始缝长ａ０有关。     

裂缝在非均匀岩层内扩展机理研究

薄差储层有效开发的关键问题是明确水力裂缝在砂/泥岩界面上的扩展特性. 为了分析裂缝在砂/泥岩界面上的扩展机理, 以ABAQUS 为平台, 利用扩展有限元框架下的分离裂缝模型模拟了裂缝在砂/泥岩界面上的扩展过程, 该模型提出预设虚节点法, 通过在位移的插值函数中引入附加增强项, 实现裂缝扩展独立于网格边界, 获得了裂缝通过砂/泥岩界面的扩展规律. 并采用白光散斑实验对低渗透储层砂/泥岩界面的裂缝扩展进行了实时跟踪, 裂缝扩展过程与数值模拟过程吻合较好, 说明扩展有限元法是定量分析裂缝扩展的有效手段, 同时分析了裂缝穿过界面扩展的影响因素.