节理岩体断裂的损伤与分形效应

本文在岩石断裂的基础上,利用损伤的概念,建立起岩体断裂能与初始损伤的关系,并借助于岩石断裂能与断裂面分形维数的关系,给出了节理岩体的断裂能与断裂面分形维数之间的关系.本法为直接从岩石的断裂参数推出节理岩体断裂参数,提供了一条简捷的途径.     

分数维空间中的损伤力学研究初探

结合损伤力学和分形几何理论，给出分数维空间中分形损伤变量定义ω（ｄ，ζ）及其解析表达式．指出欧氏空间损伤变量ω０实际是分数维空间分形损伤变量ω（ｄ，ζ）当维数取Ｅｕｃｌｉｄｅａｎ维数时的一种特例，将欧氏空间损伤变量定义推广到分数维空间，建立起一种兼顾反映损伤细观结构效应和宏观损伤力学分析需要的损伤定义与描述方法．在此基础上，推导了材料损伤演化律和损伤本构关系的分形表达形式．作为例证，文中分析了单调压缩载荷下混凝土损伤及演化行为．实验对比分析表明：分形损伤模型较好地反映了混凝土实际损伤力学行为．     

应力波穿越岩石节理时能量耗散规律的实验研究

采用材料试验机和大尺度激光表面仪对大理岩和花岗岩两种岩石进行三点弯曲和粗糙断裂面的扫描实验,详细地分析了粗糙断裂面的分形特征。通过SHPB实验,研究并提出了波能量耗散与断裂面分形维数的定量关系;分析了分形维数对波能量耗散的影响规律。研究得出以下结论:1)随着粗糙断裂面分形维数的增大,通过断裂面时应力波能耗将相应增加;2)应力波能量主要是以热能和塑性变形能耗散。分形维数越大,比表面积则越大,粗糙表面粒子相互摩擦和挤压程度相应增加,导致波的机械能转化成热能和塑性变形能部分增加,因而波动能量耗散越大。     

高温疲劳表面短裂纹的分形研究

对2.25Cr-1Mo合金钢进行了高温疲劳实验，采用中断试验与复膜技术相结合的方法观测了试样表面疲劳短裂纹萌生，扩展及合体的演化过程，并用数据格子方法研究了含裂纹表面的分形特征。结果表明：疲劳短裂纹的萌生扩展行为具有分形特征，可以用分形理论加以描述；分形维数随着疲劳过程的继续而稳定地成比例增加；分形维数可以作为把握材料总体损伤状态的参数，可作为寿命评价的依据。     

岩石爆破分形损伤模型研究

在Ｋｕｓ和Ｔｈｏｒｎｅ等人研究基础上，利用分形理论及应用成果提出了一种新的岩石爆破损伤模型。新模型将岩体中各种结构弱面视为初始损伤，并将其分形维数作为岩石性质的主要参量，用损伤能量耗散率及与分形维数的关系表征爆破过程中的岩石损伤演化规律，从而弥补了现有模型未考虑初始损伤影响和将损伤演化归结为体积应变函数的不足。还通过模拟试验等手段验证了新模型的如上观点。     

脆性材料裂纹扩展的分形运动学

大量实验结果表明脆性材料裂纹扩展路径是弯弯曲曲的，不规则的，断裂表面粗糙不平，表现出分形特征。本文应用分形几何推导出脆性材料裂纹扩展的分形运动学公式，得到了动、静态断裂韧性与分形裂纹扩展速度、裂纹长度、微结构特征量δ＿ｃ以及分形维数之间的关系；推导出了裂纹扩展速度的计算公式，得出宏观量测的裂纹扩展速度Ｖ＿０应小于分形裂纹扩展速度Ｖ；并推导出直接根据材料动、静态断裂韧性和裂纹扩展速度Ｖ＿０估算材料裂纹扩展路径的分维计算公式．本文理论分析结果与实验值在定性定量上达到了较好的一致。     

砼受压损伤的分形描述

本文采用分形几何描述方法，量化地分析了受压砼内部微裂缝的分形维数变化情况，并给出了损伤变量ω与分数维Ｄ间的关系。     

扫描电镜下断口表面的三维重建及分形维数的测量

基于数字散斑相关方法,利用扫描电镜立体对技术和计算机视觉方法实现了物体表面的三维重建,讨论了影响其精度的原因,并且利用分形理论对表面的三维形貌进行了定量分析,由立方体覆盖法得到了三维形貌的分形维数.作为应用的实例,将该方法应用到岩石断口的三维重建中,得到了重建后的高度云图和分形维数.结果表明,利用扫描电镜立体对技术对断口表面进行三维重构并进行分形维数的计算是一种行之有效的断口定量分析方法.这为研究材料断裂的微观机理、断裂过程和断裂性质等问题提供了一种途径.     

混凝土剪切断裂能与分形维数关系的研究

混凝土断裂试件断口蕴涵着丰富的力学信息，而传统的欧几里得几何难以对复杂的断口形貌进行描述，本文引入分形几何理论对断口形貌进行研究，结合宏观的断裂参量进行数值分析，从而找到了混凝土断裂微观现象与宏观力学量联系的桥梁，本文分析了混凝土四点剪切加载试件的断裂性能，计算了断裂韧度、断裂能等相关参数，并通过扫描电子显微镜对断口形貌观测，运用分形理论计算了此类断口的分形维数，分析了Ⅱ型断裂断裂能和分形维数之间的关系。     

关联表面分形特性的润滑模型

在分配有面粗糙度与材料表面分形特性关系的基础上，将分形特性引入润滑方程，提出了关联表面分形特性的润滑模型，并分析了润滑模型中压力流量因子和剪切流量因子与表面分形维数之间关系。计算结果表明：在相同分形维数（D）下，随着微突体纵横比v的增大，压力流量因子和剪切流量因子相应增大，且其随分形维数D的变化同随油膜粗糙度比H的变化相比呈现出更强的不规则特性，出现局部最大和最小值，并且分辨率较高。     

断面分形研究中的几个问题

本文讨论了分形几何应用于断裂研究的几个基本问题．主要内容包括断面的分形特征及分维测量,分维与宏观力学性能（如断裂韧性等）的关系,分形断裂模型及分形断裂的物理机理．      

铝-铝爆炸焊接界面剪切行为与断口形貌关系研究

为了研究爆炸焊接界面的剪切损伤行为,本文对铝-铝复合材料开展剪切试验,并基于分形理论对试件剪切断口界面进行表征,尝试建立界面剪切强度与断口轮廓分维值及其多重分形谱关系。结果表明,焊接界面剪切强度随加载速率升高而降低,异于通常金属剪切行为;但从断口形貌及其轮廓分形维可认识界面剪切强度变化原因。此外,多重分形谱起点与终点间的高度差和跨度差值反映了界面的峰、谷落差及分布特征,是界面形貌特征的立体反映,并在数值上也与剪切强度正相关。     

Fractal geometry and fracture of rock

The irregular and rough profile of fracture surfaces of rock can be regarded as having self-similarity statistically. The authors apply a new geometry—fractal geometry to describe this irregularity. Fractal models of the transgranular fracture and the combined intergranular and transgranular fracture are established. The fractal character of fracture surface of rock is examined by electron scanning and optical fractographic analyses. Finally, the relation between fractal dimension and macromechanics quantities of rock fracture is obtained.     

Fractal analysis of fracture in concrete

Experimental results indicate that propagation paths of cracks in concrete are often irregular, producing rough fracture surfaces which are fractal. Based on dynamic analysis of microcrack coalescence, this paper presents a statistical fractal model to describe the damage evolution of concrete. The model demonstrates that the mechanism of fracture surfaces formed in concrete is closely related to the dynamic processes of the cascade coalescence of microcracks. A unimodal relation between the fractal dimension and the coalescence threshold can qualitatively explain the relation between fractal dimension and fracture energy.     

动态裂纹扩展中的分形效应

假设裂纹顶端沿着分形轨迹运动，建立了裂纹扩展的分形弯折（ｋｉｎｋｉｎｇ）模型来描述裂纹的动态扩展。根据这个模型，我们推导了分形裂纹扩展对劝态应力强度和裂纹速度的影响．动态应力强度因子与表观应力强度因子之比Ｋ（ｌ（ｔ），Ｖ）／Ｋ（Ｌ（ｔ），Ｏ）是表观裂纹速度Ｖ＿Ｏ，材料微结构参数（ｄ／Δａ），分维Ｄ和裂纹扩展路径的弯折角θ的函数。本文研究结果表明：在分形裂纹扩展中，表观（或量测）的裂纹速度Ｖ＿Ｏ很难接近Ｒａｙｌｅｉｇｈ波速Ｃ＿ｒ．动态断裂实验中Ｖ＿Ｏ明显低于Ｃ＿ｒ的原因可能是分形裂纹扩展效应所致。材料的微结构，裂纹扩展路径的分维和弯折角均很强地影响动态应力强度因子和裂纹扩展速度。     

岩石类材料裂纹分叉非规则性几何的分形效应

本文考察了岩石裂纹(从晶粒尺寸的微裂纹到几千米的断层构造)的分叉在几何上存在的非规则性,在文献[10,11]的基础上,应用分形(fractal)几何建立了裂纹分叉的分形模型,分析了裂纹分叉的分形效应,从几何的角度研究了裂纹分叉使断裂韧性提高的物理力学现象,导出了一个比smith公式更合理的断裂韧性计算式。     

FRACTAL DESCRIPTION OF ROCK FRACTURE BEHAVIOR

岩石可压裂性的定量评价是非常规油气资源开采中一个重要且复杂的问题,利用已有岩心实验数据,考虑岩石的岩性及压裂裂隙的分形特征,建立了岩石压裂裂隙的分维数、岩石抗压强度和裂隙面密度之间的定量关系,并根据所采岩心,利用自行开发的软件计算出其压裂后分形维数,验证了裂隙越复杂,分形维数越大. 提出采用压裂裂隙的分维数来表征岩石的可压裂性, 为定量分析和评价岩石可压裂性与储层开采价值提供了一个新的思路.     

综放顶煤爆破能量的分形研究

基于综放开采预爆破弱化坚硬顶工艺,利用分形理论建立岩石断耗能量与块度分维值之间的理论关系,推导出岩石爆破块度分数维与炸药单耗之间关系,进行了室内相似材料模型爆破实验,验证了上述理论关系,利用爆破岩石表面裂隙分布的分形维数值作了衡量指标,优化爆破孔网参数。