三点弯曲型试件Ⅰ/Ⅱ复合型断裂的数值与实验研究

三点弯曲试件常被用来研究材料的纯Ⅰ型及Ⅰ/Ⅱ复合型断裂性能。使用Abaqus软件通过有限元法获得三点弯曲试件不同跨长比2S/L、相对裂纹长度a和裂纹倾角β下的Ⅰ型与Ⅱ型无量纲应力强度因子。由有限元结果可知,在相对裂纹长度一定时,跨长比越小,裂纹倾角越小,Ⅰ型无量纲应力强度因子可取得0,即越容易得到纯Ⅱ型断裂。当跨长比相同时,相对裂纹长度越大越容易得到纯Ⅱ型断裂。使用6组共24个三点弯曲试件,研究砂岩的纯Ⅰ型、纯Ⅱ型以及复合型加载时的断裂韧度,得到该种砂岩的纯Ⅰ型断裂韧度为0.786MPa·m0.5,纯Ⅱ型断裂韧度为0.344MPa·m0.5。实验结果与最大周向应力(MTS)准则和广义最大周向应力(GMTS)准则的预测结果进行对比,比较结果显示GMTS准则更能准确地预测实验结果。     

金属材料三维断裂韧度厚度效应的有限元模拟

随着金属材料大壁厚结构件在工程中的广泛应用,对其断裂韧度的厚度效应研究具有重要的科学意义和工程价值。本研究基于有限元和实验相结合的方法,对金属材料断裂韧度的厚度效应进行预测。首先,通过一组薄壁厚金属材料标准三点弯曲试验得到试样失效时的临界载荷值,并利用内聚力模型与基于虚拟裂纹闭合技术的裂纹扩展模拟方法得到裂纹扩展时的单元临界能量释放率。随后,以此临界能量释放率作为裂纹扩展的启裂准则门槛值,通过有限元计算得到不同试样厚度下裂纹启裂时的裂尖断裂参数随着厚度的变化规律。最后,为了验证有限元模拟结果的准确性,本研究进行了另外两组不同厚度下三点弯曲试样的断裂韧度试验,并将试验结果与有限元结果进行了对比,验证了有限元所模拟的断裂韧度厚度效应的准确性。本研究旨在,通过薄壁厚三点弯曲试样的实验结果结合有限元模拟工作,即可实现金属材料断裂韧度的整个厚度效应曲线,为任意厚度下金属材料断裂韧度预测提供一种可靠的研究方法,有益于缩减试验成本,为大壁厚工程结构件的失效预测提供依据。     

用两种ISRM推荐圆盘试样测试岩石断裂韧度的试验研究

采用国际岩石力学协会推荐的人字型切槽巴西圆盘试样(CCNBD)和中心直裂纹三点弯曲试样(NSCB),在RMT-150B试验机上进行了劈裂加载试验,结合声发射仪对比分析了不同尺寸试样的载荷-位移曲线、破坏形态和断裂韧度测试值的差异。结果表明:CCNBD试样的载荷-位移曲线可能出现二次倒拐现象,NSCB试样的载荷-位移曲线峰后直接跌落;两种试样破坏过程中的振铃计数和能量与时间的变化过程与载荷-时间曲线完全对应;NSCB试样测得的大理岩断裂韧度平均值比CCNBD试样测试值偏高4%左右,但试样尺寸较大时,偏高程度更为明显;两种试样都是劈裂加载破坏形式,CCNBD试样在端部可能出现偏离加载直径方向的破坏形式,本研究结果有助于进一步完善和推广ISRM测试岩石断裂韧度的建议方法。     

Ⅱ型荷载下混凝土剪切断裂的测试研究

有关混凝土的断裂行为已被广泛研究，但很少是针对剪切断裂的情况。本文采用Ⅱ型（四点剪切）加载，进行一系列测试，研究了混凝土单边预制裂纹（SEN）直梁剪切断裂的技术和条纹。初步实现了混凝土的剪切断裂，测得混凝土的Ⅱ型断裂韧度因子K1c。实验结果显示，试件的几何尺寸越大，养护的龄期越长，实验效果越理想，在这两个因素中，试件尺寸的影响更明显。此外，混凝土的配合比与粗集料对测试结果也有重要影响，而细集料的影响似乎并不明显。同时，文中对实验结果进行了详细的分析，最后，得出一些具有工程实用价值的结论。     

一种基于SHTB的Ⅱ型动态断裂实验技术

冲击剪切载荷作用下动态断裂韧性的测定是材料力学性能和断裂行为研究中重要组成部分.为了测定材料的Ⅱ型动态断裂韧性,许多学者采用不同的试样与实验方法进行了实验,但限于实验条件,裂纹断裂模式往往是I+Ⅱ复合型,而不是纯Ⅱ型,因而不能准确测得材料的Ⅱ型动态断裂韧性.鉴于此,本文基于分离式霍普金森拉杆(split Hopkinson tension bar,SHTB)实验技术,提出一种改进的紧凑拉伸剪切(modified compact tension shear,MCTS)试样,通过夹具对MCTS试样施加约束,从而保证试样按照纯Ⅱ型模式断裂.采用实验-数值方法对MCTS试样动态加载过程进行分析,将实验测得的波形输入有限元软件ANSYS-LSDYNA,得到了裂纹尖端应力强度因子-时间曲线,并与紧凑拉伸剪切(compact tension shear,CTS)试样进行了对比.同时采用数字图像相关法进行了实验,验证了有限元分析结果.结果表明,MCTS试样在整个加载过程中K_I K_Ⅱ,裂纹没有张开;而CTS试样在同样的加载过程中K_IK_Ⅱ,出现裂纹张开现象.这说明MCTS试样能够准确地测定材料的Ⅱ型动态断裂韧性,为材料动态力学测试提供了一种有效的实验技术.     

冲击载荷作用下黑砂岩动态断裂参数的分形修正

基于分形理论研究了偏折裂纹扩展路径对动载荷作用下黑砂岩的动态断裂力学参数的测试误差影响作用,采用传统的分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）实验装置对修正侧开单裂纹半孔板（improved single cleavage semi-circle specimen, ISCSC）试样进行动态冲击实验,随后采用裂纹扩展计进行裂纹起裂时间与裂纹扩展速度等动态断裂力学参数测试,采用分形理论对测试的裂纹扩展速度与动态应力强度因子进行修正,利用实验-数值法对黑砂岩的动态断裂韧度进行计算。研究结果表明,ISCSC构型构件能够有效应用于岩石材料动态裂纹扩展行为的研究,并发生了止裂现象,经分形修正的裂纹扩展速度与动态断裂韧度更接近实际裂纹动态扩展情况,修正前后得到黑砂岩材料的裂纹扩展速度误差为33.51%,动态断裂韧度最大误差为7.68%,说明利用分形理论对动态断裂韧度等动态断裂参数计算更合理。     

冲击载荷下镁铝合金裂纹动态扩展过程的数值模拟

采用基于黏聚裂纹模型的扩展有限元方法,开展了镁铝合金结构冲击破坏过程的数值模拟研究。通过镁铝合金三点弯曲试样冲击实验,获得了不同子弹撞击速度下试样的冲击破坏模式。在此基础上,建立了实验结构的扩展有限元模型,并采用最大主应力准则,以及含损伤型的本构关系模拟材料的冲击断裂行为。对于裂纹尖端附近区域,采用黏聚裂纹模型模拟裂纹的断裂过程。对子弹速度分别为12.2、15.1、26.3 m/s的3种工况下镁铝合金试样的动态破坏过程进行了数值模拟研究,获得了与实验相一致的断裂模式。计算结果表明,试样以Ⅰ型断裂模式为主,裂纹沿初始预制裂纹方向扩展。当裂纹扩展到一定程度后,在试样韧带区域被撞击端附近,由于应力波及边界效应导致该区域处于复杂应力状态,试样出现复合型断裂模式,裂纹偏离原扩展路径,与本文实验结果相吻合。     

Ⅱ型加载条件下页岩断裂行为的预测研究

实际工程中岩体往往处于Ⅰ型和Ⅱ型加载同时存在的状态，而这种复合加载条件下岩石断裂行为的预测较为复杂，也是迫切需要解决的问题。本文基于Ⅰ型加载条件下测试得到的页岩试样断裂韧度，应用MTS(Maximum Tangential Stress,最大切向应力)断裂准则对页岩试样在Ⅱ型加载条件下的裂纹起裂角以及断裂韧度进行了预测。为评估预测效果，通过Ⅱ型加载条件下2种尺寸页岩断裂试验，发现Ⅰ型断裂韧度随岩样尺寸变化的趋势不同，Ⅱ型断裂韧度基本没有尺寸效应。通过比较预测结果以及试验结果发现，利用传统的MTS断裂准则预测的理论值与试验测试值相差较大。在预测过程中断裂过程区尺寸的确定也是非常重要的，如果不考虑断裂过程区的尺寸效应同样会造成很大的预测误差。结合MTS准则确定的断裂过程区尺寸，利用GMTS(Generalized Maximum Tangential Stress,广义最大切向应力)断裂准则预测的岩样裂纹起裂角以及断裂韧度都与试验测试值非常接近。     

CTS试样Ⅰ/Ⅱ混合型断裂特性数值计算研究

采用CTS试样研究Ⅰ/Ⅱ混合型断裂特性计算裂纹前缘应力强度因子时可采用解析公式,一旦裂纹发生扩展,解析公式便不再适用.文中采用有限元法研究紧凑拉伸剪切(CTS)试样在Ⅰ/Ⅱ平面混合型加载下的裂纹扩展行为.采用ANSYS建立CTS试样Ⅰ/Ⅱ混合型测试系统有限元模型,为模拟真实受力状态,在CTS试样-销-扇型夹具以及扇型夹具-销-U型夹具之间分别建立接触对进行接触力学分析.通过与解析公式结果进行对比验证了该数值方法的可靠性.采用最大环向应力准则(MTS),模拟了CTS试样不同加载角度下的裂纹扩展路径,获得了裂纹扩展路径中应力强度因子随裂纹长度的变化曲线,解释了裂纹扩展路径不与外载荷方向垂直的原因.结合文中计算结果,在CTS试样Ⅰ/Ⅱ混合型裂纹扩展速率实验测得裂纹长度与寿命的关系曲线a-N的基础上,便可得到材料Ⅰ/Ⅱ型混合型裂纹扩展速率曲线.     

Ⅱ型模态控制下的GFRP-混凝土界面断裂韧度测定

介绍了一种适用于评价GFRP-混凝土界面断裂性能的理论分析模型,并结合端部开口试件的四点弯曲试件(4ENF)试验,测得了该类界面在II型模态控制下的断裂韧度.该模型考虑了试件各子梁中的横向剪切变形对能量释放率的影响,引入一阶剪切变形梁理论对界面断裂过程进行模拟;同时由于混凝土在受剪及受拉区域容易发生破坏,故试件设计过程中引入钢筋进行加强,有效减少了实验数据的离散性;进一步通过与有限元仿真进行对比发现结果吻合较好,这说明本文方法能够有效测定II型模态荷载控制下复合材料-混凝土界面的断裂韧度,评价复合材料增强混凝土结构的界面断裂性能,预测界面的起裂、裂纹扩展和失效容差.     

采用压缩单裂纹圆孔板确定岩石动态起裂、扩展和止裂韧度

爆炸、冲击、地震等人为或自然灾害不可避免,经常造成大量土木工程设施的破坏,因此岩石在动态载荷作用下的行为受到特别关注.岩石动态断裂韧度是评价岩石抵抗裂纹动态起裂、扩展和止裂性能的材料参数,开展岩石动态断裂韧度测试方法的研究对相关理论基础和实验技术的要求较高.岩石动态断裂韧度分为动态起裂、动态扩展、动态止裂三种,虽然关于动态起裂和动态扩展的研究已有一些成果,对岩石动态止裂的研究仍是一个难题,至今几乎无人问津.研究表明,在分离式霍普金森压杆撞击压缩单裂纹圆孔板岩石试样的I型动态断裂试验中,动态起裂、扩展、止裂的全过程可以由黏贴在压缩单裂纹圆孔板试样上的裂纹扩展计监测,岩石的动态起裂、扩展、止裂韧度可以用实验-数值-解析法确定.特别值得一提的是首次测出了岩石的动态止裂韧度.裂纹扩展计信号还显示,压缩单裂纹圆孔板在止裂后,停止的裂纹还会再次动态起裂、扩展并超出裂纹扩展计的检测范围.从能量的角度分析了动态止裂的过程,指出测试动态止裂韧度时要注意的一些问题.结果显示,岩石动态起裂韧度和动态扩展韧度分别随动态加载率和裂纹扩展速度的增大而增大,岩石动态起裂韧度略大于动态止裂韧度.      

利用有限断裂力学方法对含尖锐V型切口混凝土试件的三点弯曲试验研究

为研究含V型切口素混凝土梁在三点弯曲情况下的断裂特性,本文引入了一种耦合应力与能量的有限断裂力学分析方法,分析推导随V型切口开口角度变化,对有限距离及广义断裂韧度影响的广义应力强度因子解析表达式。广义断裂韧度及有限距离采用断裂韧度及抗拉强度及开口角度的函数来表示。通过三种缝高比包含几种开口角度素混凝土的三点弯曲试验的结果表明,与平均应力准则相比,有限断裂力学方法预测破坏荷载有更高精度,同时理论值与试验结果吻合程度也更好。     

非线性断裂模式下冻土复合型破坏的数值计算

冻土是多相复合材料,其内部含有很多孔洞,裂隙等缺隙,它的断裂破坏过程像岩石及混凝土等准脆性材料一样具有明显的非线性特征.本文提出了一种胶结力裂纹模型来模拟冻土的断裂破坏过程.这种模型基于在裂纹尖端插入非线性界面元来模拟微裂纹区的胶结力(使裂纹闭合的力),裂纹扩展判据采用最大应变能释放率准则,同时编制程序对冻土Ⅰ-Ⅱ复合...     

切口曲率半径对岩石断裂韧度KIC值的影响

本文对岩石三点弯曲试样的切口曲率半径与其断裂韧度 K_(Ic)值间的关系进行了详细的实验研究及理论分析.对岩石 K_(Ic)测试中切口的选择提出了建议方法.     

用无限相似单元法计算拱形试样的K_I和柔度

如图1所示的拱形三点弯曲试样易于从环管类构件上取样,试验也方便,因而是一种颇有实用意义的断裂韧度测试试样.陈篪等同志首先提出了这种试样,并用柔度法从实验标定获得了K_I 和BEC 数据.本工作报道拱形试样三点弯曲情况的K_I 和BEC及纯弯曲情况(图2)的K_I 计算结果.计算纯弯曲情况是为了用等效力系原理导出K_I 的一般表达式.文中K_I 均为无量纲形式K_I~*=(K_IBW~(3/2))/M,式中:B 为试样厚度;W=R_1-R_2为试样宽度;M 为裂纹平面上弯矩.     

混凝土平面应变断裂韧度测试初探

本文对混凝土三点弯曲试验资料分析研究,通过详细数据计算得到混凝土平面应变断裂韧度(仅制备预制裂纹)的初步数值.并对混凝土平面应变断裂韧度的测试结果做了深入讨论.     

铝合金 2A12韧性断裂机制的实验研究

用轴对称圆棒静拉伸实验研究了铝合金2A12韧性断裂的特点,并探讨了临界空穴扩张比参数-VGC在实验材料上的适用性。实验测试了实验材料的拉伸特性参数及VGC参数。实验证实实验材料在不同应力状态下会发生断裂形式的转变,光滑试样表现为剪切破坏,而缺口试样为拉伸破坏,VGC参数对材料的断裂形式较为敏感。用SEM观测了试样断口显示缺口试样为空穴聚合型断裂机制。VGC参数只适用于以拉伸型断裂为主的缺口试样,对以剪切断裂为主的光滑拉伸试样不适用。     

山形切口三点弯曲试样的SIF柔度标定及应用

本文对三组不同比例尺寸的山形切口三点弯曲试样,进行了直接实验柔度标定,由此确定了应力强度因子(SIF)系数表达式.以此标定结果,测定了工具铜 T10A 的断裂韧度 K_(ICV),并同 GB4161-84方法测定的断裂韧度 K_(IC)进行了比较,二者符合较好.     

四点剪切加载下混凝土裂纹扩展路径研究

混凝土在四点剪切加载条件下,断裂试件失稳基本上为Ⅱ型。随着裂纹的扩展,裂纹会出现分叉、偏斜,就存在断裂路径选择问题,当裂纹由水泥砂浆垂直入侵骨料时,裂纹可能穿过骨料扩展或绕过骨料沿界面扩展．该文建立了四点剪切加载条件下,裂纹扩展路径选择模型,并以实验进行验证．     

冲击加载下巷道内裂纹的扩展特性及破坏行为

为了开展含预制裂纹的巷道模型试样在冲击载荷下的动态断裂响应实验,选用青砂岩作为模型材料制作巷道模型试样,以可调速落锤冲击实验机作为冲击加载装置进行试样的动态断裂实验,分析冲击载荷作用下的巷道内裂纹的扩展规律。采用裂纹扩展计及应变片测试系统监测裂纹的起裂时间、扩展速度及止裂时间,并借助于AUTODYN、ABAQUS有限元数值分析软件对实验模型进行数值模拟,计算裂纹的动态起裂韧度、动态扩展韧度、动态止裂韧度等断裂参数。结果表明:巷道内裂纹在扩展路径过程中存在着明显的止裂现象;采用实验-数值方法能够较好地得出裂纹的起裂韧度、扩展韧度和止裂韧度等参数。另外,对止裂现象进行了初步的分析,讨论了试样内应力反射波与透射波对止裂问题的影响。