基于XFEM模拟的核级石墨断裂行为研究

为研究核级石墨的断裂性能,对单边切口的石墨梁进行三点弯曲试验,并采用扩展有限元(XFEM)对其断裂行为进行数值模拟。通过将数值模拟结果与试验得到的荷载-位移曲线进行对比,验证了数值模拟的可靠性。研究结果表明,加载过程中断裂过程区(FPZ)完全发展时,其长度l_(FPZ)最大,约为14.16mm,约为石墨梁韧带高度的68%;分析了缝高比a_0/D在起裂和失稳时石墨的断裂参数的变化,结果表明:随着a_0/D的增大,起裂荷载P_(ini)和峰值荷载P_c随着a_0/D的增加而减小,P_(ini)/P_c的比值保持稳定在0.8左右;双K断裂参数K_(Ic)~(ini)和K_(Ic)~(un)基本保持不变;FPZ的长度l_(FPZ)在完全发展之前呈线性增加,之后长度逐渐减小。     

基于XFEM的混凝土纯弯曲梁的裂缝扩展模拟研究

选取纯弯曲梁进行裂缝扩展研究，在理论上符合Ⅰ型断裂模式．因此，本文利用扩展有限元法(XFEM)模拟了混凝土纯弯曲梁裂缝发展的全过程，结合线性叠加渐进假定，得到了不同初始缝高比的P-δ曲线、P-CMOD曲线以及临界有效裂缝扩展长度(a_c-a₀)/h与裂缝发展路经．对比试验数据和模拟结果表明：随着初始缝高比的增大，起裂荷载P_ini、最大荷载P_max、离散弗雷歇距离δ_dF与δ_{d F}^′，以及临界有效裂缝长度(a_c-a₀)/h均逐渐减小；试验与模拟的裂纹发展路径存在一定偏差，可知试验数据与模拟结果存在规律性差异．     

骨料粒径对混凝土Ⅰ型断裂裂缝扩展影响研究

为研究不同骨料粒径混凝土Ⅰ型断裂裂缝扩展特性,开展了骨料粒径为10、20、30、40 mm的混凝土三点弯曲梁断裂试验;结合数字图像相关技术(digital image correlation, DIC)测得试件表面计算区域全场位移变化数据;对不同骨料粒径混凝土断裂能、断裂韧度、断裂过程区(fracture process zones, FPZ)变化和发展进行研究,探讨了FPZ扩展过程与峰后荷载之间的关系。结果表明：随着骨料粒径增大,试件峰值荷载和断裂参数均呈现先增大后减小的趋势,M20试件FPZ长度的变化与峰后荷载的变化有很强的关联性,其骨料对微裂缝扩展的约束效果最好;此外,通过分析不同骨料粒径混凝土试件FPZ的发展规律,可知,骨料粒径为20 mm的混凝土试件,其峰后局部变形能力得到了改善,断裂能及断裂韧度得到了提高,在断裂过程中具有比其他骨料粒径混凝土更高的承载力和更小的FPZ,因此,合适的骨料粒径为20 mm。     

基于数值模拟的混凝土系列有效断裂判据

基于ANSYS平台,对某系列混凝土断裂破坏试验的加载过程进行有限元数值模拟,获得了荷载-加力 点位移曲线.利用获得的曲线,在线性渐进叠加假定的基础上,确定了试件在失稳断裂时的临界有效裂缝长度.将模拟峰值荷载和临界有效裂缝长度代入由LEFM推导出的公式计算了考虑断裂过程区影响的有效断裂韧度.最后,通过对系列试验有效断裂韧...     

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.     

混凝土楔入劈拉和三点弯曲断裂过程的细观数值模拟

基于离散元思想和Voronoi单元划分技术,利用混凝土细观刚体弹簧元模型,开展了混凝土楔入劈拉试件和三点弯曲切口梁的断裂过程数值仿真分析。从裂缝开展过程、试件破坏形态、荷载-张口位移曲线(P-CMOD)和断裂能等方面,将数值分析结果与已有的试验结果进行了对比。结果表明,细观刚体弹簧元法较准确地模拟了混凝土楔入劈拉试件和三点弯曲切口梁断裂过程。最后,分析了缝高比和骨料体积含量对混凝土断裂过程的影响规律,发现断裂能随骨料体积含量呈单调递增趋势。     

混凝土楔入劈拉和三点弯曲断裂过程的细观数值模拟Mesoscale simulation on fracture process of wedge splitting and three-point bending of concrete

基于离散元思想和Voronoi单元划分技术,利用混凝土细观刚体弹簧元模型,开展了混凝土楔入劈拉试件和三点弯曲切口梁的断裂过程数值仿真分析。从裂缝开展过程、试件破坏形态、荷载-张口位移曲线(P-CMOD)和断裂能等方面,将数值分析结果与已有的试验结果进行了对比。结果表明,细观刚体弹簧元法较准确地模拟了混凝土楔入劈拉试件和三点弯曲切口梁断裂过程。最后,分析了缝高比和骨料体积含量对混凝土断裂过程的影响规律,发现断裂能随骨料体积含量呈单调递增趋势。     

激光散斑法对预制缺口岩石的缝端微裂区变形过程研究

本文应用激光散斑法对预制缺口岩石的缝端微裂区进行了无接触位移测量,求得加裁点位移 d 和缝端张开位移η.通过对主裂缝的跟踪量测,表明该试件的裂缝在失稳前存在着亚临界扩展.在此阶段,预制裂缝缝端主裂缝的形式推测主要是类似“啮合”裂缝及部分张开裂缝,当缝端张开位移达到临界值时,荷载稍增,裂缝即快速扩展,以致发生断裂.     

不同加载速率下玄武岩三点弯断裂性能及破坏形貌的试验研究

对不同加载速率下的玄武岩展开了三点弯断裂试验研究,探讨了荷载-位移曲线变化规律及裂纹扩展机理,分析了试样断裂面粗糙度系数随加载速率及开裂荷载的变化关系。结果发现:当加载速率在0.005～5mm/s范围内增加时,试样的断裂峰值荷载有增大趋势,而最大位移有不同程度减小,荷载-位移曲线的弹性阶段明显突出,上凹阶段与裂纹失稳扩展阶段有所隐退。裂缝扩展高度一定时,开裂荷载随加载速率的增加而增大,且断裂面粗糙度系数与加载速率呈显著的对数函数递减趋势;而加载速率一定时,开裂荷载随裂缝扩展高度的增加而增大。试样不同高度处的开裂荷载与断裂面粗糙度系数呈明显的幂函数递减关系。     

三点弯曲下混凝土梁挠度与裂缝口张开位移关系

为研究三点弯曲混凝土梁挠度δ与裂缝口张开位移CMOD的关系,对五组尺寸相同、强度不同的预制切口梁进行三点弯曲试验,获得加载全过程的P-δ曲线和P-CMOD曲线。由于试验中的P-δ曲线和P-CMOD曲线同步测得,取相同P值下对应的δ值与CMOD值,即可得到一一对应的δ值与CMOD关系。分析表明:δ-CMOD关系可分为非线性和线性两部分,采用数值分析确定两部分的拟合参数;针对混凝土强度的影响,提出各参数关于强度的经验公式。最后,通过对不同批次、相同成分的混凝土断裂能对比分析,证实了本文拟合关系的可靠性。采用本文公式由CMOD计算的断裂能G_F~(P-δ(CMOD))的标准偏差为5.93N/m,远小于由挠度实测值计算的断裂能G_F~(P-δ)的标准偏差21.05N/m,且G_F~(P-δ(CMOD))的平均值更接近已知的混凝土的断裂能。     

基于扩展有限元法的混凝土细观断裂破坏过程模拟

扩展有限元法（XFEM）是分析不连续力学问题（特别是断裂问题）的一种有效的数值方法。在常规的有限元位移模式中,基于单位分解的思想加入一个跳跃函数和渐进缝尖位移场来对不连续体附近的节点自由度进行局部加强,从而反映了位移的不连续性。介绍了扩展有限元的基本原理,给出了扩展有限元进行混凝土开裂及裂纹扩展的分析方法,最后采用扩展有限元法模拟了湿筛混凝土单轴拉伸作用下及WinklerL-型混凝土板的细观断裂破坏过程。分析了混凝土裂纹萌生、扩展的过程及破坏形态,数值结果与实验结果吻合良好。研究表明：扩展有限元法通过特定的位移模式,使裂纹两侧不连续位移场的表达独立于网格划分,能有效地模拟混凝土材料细观断裂破坏过程。     

考虑混凝土塑性耗散的CDM-XFEM裂缝计算方法

混凝土结构在服役期间受外界载荷的影响容易产生裂缝, 导致结构刚度降低、构件承载性能衰退, 而采用准确的计算方法预测混凝土裂缝的发展是治理裂缝的基本前提, 也是保障结构安全的重要手段. 连续损伤力学方法(continuou damage method, CDM)能够描述微裂缝的扩展过程, 但不能表示离散的开裂面, 且存在网格诱导偏差及虚假应力传递的弊端, 扩展有限单元法(mechanics-extended finite element method, XFEM)能够描述宏观裂纹的扩展过程, 但不能反映微裂缝的动态扩展, 两者计算出的裂纹分布与实际差异均较大. 现有的CDM-XFEM方法已经能够模拟混凝土微裂缝及宏观裂缝发展的整个过程, 但忽略了宏观裂缝出现时混凝土产生的塑性应变, CDM与XFEM的能量转化过程欠缺平衡性. 因此, 本文重点考虑能量转化时的塑性耗散, 选取指数型函数为粘结裂缝的牵引-分离模式, 基于能量及应力等效的条件重新构建了CDM与XFEM之间的能量转化方程. 采用广义逆最小二乘法求解能量转化系数, 确定能量转化时的临界位移, 并给出了裂缝面水平集的更新算法及整体计算方法的程序流程. 以双切口混凝土受剪拉开裂试验为例, 采用多种裂缝计算方法与试验进行了对比. 结果表明, 采用考虑混凝土塑性耗散的CDM-XFEM方法算出的裂缝分布及拉力-张开位移曲线与试验结果差异最小, 说明采用考虑混凝土塑性耗散的CDM-XFEM计算方法能够更好地计算混凝土裂缝.      

冲击荷载下岩石动态断裂韧度测定的实验技术

本文介绍了一种研究岩石动态断裂特性的实验技术。该方法采用自行设计的杆式冲击试验机,在加载率K1106Nmm-3/2s-1条件下对三点弯曲试件进行冲击加载。实验中,通过一套光电转换装置测量试件切口张开位移随时间的变化。由双通道的瞬态波形存贮器记录荷载和切口张开位移,得到了冲击条件下的荷载-切口张开位移曲线,通过张开位移速率的转折点来确定起裂点并计算动态断裂韧性K1d。本中给出了长宽高为1804040mm的大理岩试件的典型荷载-切口张开位移曲线和示波照片。试验结果可由微型机直接进行处理。     

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。     

超声技术在混凝土断裂力学试验中的应用

1 前言超声技术在混凝土中的应用受到工程技术界普遍重视,得到了迅速发展.目前超声技术主要应用于检测混凝土构件的强度,缺陷和裂缝.根据超声波原理,我们将此技术应用于大骨料大尺寸混凝土断裂韧性试验中,追踪测定三点弯曲试件的断裂过程.测定了加载过程中,与微裂缝等效的主裂缝的扩展长度,以及主裂缝形成后裂缝扩展过程和长度,取得了较多的数据,结果较好.特别是△α/h,α/W 和K_(IC),以及临界荷载与最大     

岩石偏心圆孔单裂纹平台圆盘的动态裂纹扩展与止裂

针对平台圆环构型的优点, 提出偏心圆孔单裂纹平台圆盘(cracked eccentrically holed flattened disc, CEHFD), 该试样具有更长的断裂路径。利用霍普金森压杆加载系统, 径向冲击CEHFD试样, 完成Ⅰ型动态断裂实验。砂岩试样表面粘贴应变片和裂纹扩展计, 用于监测裂纹动态起裂、扩展和止裂的全过程。实验表明, 在整个断裂过程中, 裂纹非匀速扩展, 裂纹扩展速度在裂纹起裂后加速上升, 在裂纹止裂前有明显的减速, 与地震时断层的动态破裂全过程完全吻合。采用实验-数值-解析法得到动态应力强度因子, 其时间历程呈现先增大后减小的趋势。根据断裂过程不同时刻, 得到相应的动态起裂韧度、扩展韧度及止裂韧度。在动态断裂全过程中, 动态扩展韧度为速度的函数, 变化趋势与速度一致, 随着时间先增大后减小; 动态起裂韧度大于动态止裂韧度, 止裂韧度随着裂纹最大扩展速度的增大而降低, 并且有较大的离散性。     

基于扩展有限元的地质聚合物混凝土断裂过程研究

扩展有限元法是基于常规有限元框架分析裂纹等不连续力学问题的一种有效数值方法,在常规的有限元位移表达式中,增加了能够反映位移不连续性的跳跃函数和渐进缝尖位移场函数来对不连续结构附近的节点自由度进行局部加强。本文介绍了扩展有限元法及粘聚力模型的基本原理,给出了基于扩展有限元法的地质聚合物混凝土断裂过程分析方法。分别采用四种不同的软化曲线对I型缺口地质聚合物混凝土梁从裂纹萌生、扩展直至断裂破坏的全过程进行了模拟,并基于双K断裂准则分析了其断裂韧性。结果表明,Petersson模型与试验结果吻合较好,最后基于模拟结果进一步揭示了断裂过程区的演化过程。     

混凝土结构锈胀开裂的扩展有限元数值分析

依据非均匀锈胀理论提出钢筋锈胀作用的计算方法,应用扩展有限元法(XFEM)建立了钢筋锈胀保护层开裂的有限元模型.数值分析表明:采用XFEM与混凝土黏聚力模型能有效模拟混凝土开裂及裂纹扩展,避免了网格重剖分的问题;预裂纹的存在抑制了混凝土裂纹萌生,却加速了裂纹扩展贯通保护层,且萌生始于预裂纹尖端,而非钢筋-混凝土锈蚀层界面处;初始无损伤结构裂纹萌生位置对称分布于锈蚀层界面一定范围内,裂尖距交界面距离越大,单元受锈胀影响越小,最终贯通保护层主要是锈胀位移与锈蚀产物渗入裂缝产生作用力共同作用的结果,且裂纹扩展角趋于120°;提高混凝土等级和增大保护层厚度能有效延缓锈胀裂缝的产生与发展,有利于提高结构耐久性.