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.      

可压缩粘弹性材料Ⅱ型动态扩展裂纹尖端场

为了研究粘性效应作用下的动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了可压缩粘弹性材料II型动态扩展裂纹的力学模型,推导了可压缩材料Ⅱ型动态扩展裂纹的本构方程.在稳态蠕变阶段,弹性变形和粘性变形同时在裂纹尖端场中占主导地位,应力和应变具有相同的奇异量级r-1/(n-1).通过渐近分析求得了裂纹尖端应力、应变和位移分离变量形式的渐近解,并采用打靶法求得了裂纹尖端应力、应变和位移的数值结果,给出了应力、应变和位移随各种参数的变化曲线.数值计算表明,弹性变形部分的可压缩性对Ⅱ型裂尖应力场影响甚微,而对应变场和位移场影响较大.裂尖场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制.当泊松比ν =0.5时,可以退化为不可压缩粘弹性材料Ⅱ型动态扩展裂纹.     

冲击载荷作用下圆孔缺陷对裂纹动态扩展行为的影响规律

空腔和裂纹缺陷通常共存于深部地下岩体中,它们共同影响着岩体的结构安全性与稳定性。为了探究动力扰动载荷下圆形空腔对裂隙岩体内裂纹扩展行为的影响规律,提出了不同圆孔倾角的直裂纹空腔圆弧开口试件（circular opening specimen with straight crack cavity, COSSCC）,利用自制大型落锤冲击实验装置进行动态加载实验,同时采用裂纹扩展计系统测试了裂纹的动态起裂时刻与裂纹扩展速度等各种断裂力学参数,随后采用有限差分软件Autodyn进行裂纹扩展路径与圆孔周围应力场的数值分析,并采用有限元软件Abaqus计算裂纹的动态起裂韧度与裂纹扩展过程中的动态扩展韧度。结果表明:（1）当圆孔倾角θ小于10°时,裂纹扩展路径会偏折并穿过圆孔表面;当圆孔倾角θ为20°与30°时,裂纹扩展路径向圆孔方向发生偏折但不会穿过圆孔,圆孔具有明显的裂纹扩展引导作用; 当圆孔倾角θ为40°与50°时,裂纹扩展路径不会发生偏折,圆孔引导作用明显减弱。（2）当裂纹扩展路径达到圆孔空腔附近时,裂纹尖端的拉伸应力区与圆孔边缘的拉伸应力区发生重合,此时裂纹扩展速度显著增大,裂纹动态断裂韧度显著减小。（3）裂纹的偏折方向与裂纹尖端最大周向应力的方向基本一致。（4）裂纹动态断裂韧度始终小于裂纹起裂韧度,且裂纹动态断裂韧度与裂纹动态扩展速度呈负相关关系。裂纹动态扩展速度越大,裂纹动态断裂韧度越小。     

刚性-粘弹性材料界面Ⅰ型动态扩展裂纹的尖端场

裂纹尖端渐近场的研究是断裂力学研究的重要课题之一。为了研究粘性效应作用下的界面动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了刚性.粘弹性材料界面Ⅰ型动态扩展裂纹的力学模型;在稳态蠕变阶段,弹性变形和粘性变形同时在裂纹尖端场中占主导地位,应力和应变具有相同的奇异量级,即(σ,ε)∝r-1/(n-1)。当n→∞,幂硬化粘弹性材料动态扩展裂纹尖端场与Freund给出的理想塑性材料动态扩展裂纹尖端场具有相近的奇异量级;结合运动和协调方程,推导出粘弹性材料动态扩展裂尖场的控制方程。根据问题的边界条件和连续条件,通过数值计算,得到了裂纹尖端连续的分离变量形式的应力、应变和位移场。数值计算表明,裂纹尖端场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制,这为解决工程实践中所遇到的相应的问题和建立材料的破坏准则提供理论的参考。     

孔洞对平面裂纹应力强度因子影响分析的广义参数Williams单元

本文采用圆形奇异区广义参数Williams单元（W单元）建立了中心裂纹与圆孔共存的平面应力模型,奇异区外围利用ABAQUS有限元软件自动网格离散技术与FORTRAN95编程前处理相结合,克服了自主编程中网格离散的局限性．算例分析了圆孔位置和几何参数对I-II混合型裂纹尖端应力强度因子(SIFs)的影响,并与扩展有限元法(XFEM)计算结果进行比较．结果表明：靠近圆孔一侧的裂尖SIFs大于远离圆孔一侧的裂尖SIFs;控制圆孔左边缘到裂纹中心的距离,则两侧裂尖SIFs随圆孔半径的增大而增大;圆孔中心与裂纹中心水平距离越远,圆孔对裂纹扩展的影响越小．同时,基于圆形奇异区的W单元直接计算得到的裂尖SIFs与扩展有限元法得到的解吻合较好,证明了W单元对奇异区离散形状不敏感,且具有高效率和高精度．     

蠕变材料Ⅱ型动态扩展裂纹尖端场

为了研究粘性效应作用下的动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了蠕变材料Ⅱ型动态扩展裂纹的力学模型,在稳态蠕变阶段,弹性变形和粘性变形同时在裂纹尖端场中占主导地位,应力和应变具有相同的奇异量级,即(σ,ε)∝r-1/(n-1)。通过渐近分析求得了裂纹尖端应力、应变和位移分离变量形式的渐近解,并采用打靶法求得了裂纹尖端应力、应变的数值结果,数值计算表明,裂尖场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制。通过对裂纹尖端场的渐近分析,从应变角度出发,提出了蠕变材料Ⅱ型动态扩展裂纹的断裂判据。     

压电体中孔边Ⅲ型界面裂纹的动应力强度因子

采用Green函数法研究界面上含圆孔边界径向有限长度裂纹的两半无限压电材料对SH波的散射和裂纹尖端动应力强度因子问题.首先构造出具有半圆型凹陷半空间的位移Green函数和电场Green函数,然后采用裂纹"切割"方法构造孔边裂纹,并根据契合思想和界面上的连接条件建立起求解问题的定解积分方程.最后作为算例,给出了孔边界面裂纹尖端动应力强度因子的计算结果图并进行了讨论.     

一维六方准晶有限板孔边对称反平面双裂纹问题的边界配置法

从断裂力学的观点出发,采用边界配置法研究了一维六方准晶中带双裂纹的圆孔口反平面问题.通过选取恰当的位移函数,求得声子场与相位子场的应力和应力强度因子.而板的边界条件由边界配置法近似满足.通过数值算例,讨论了裂纹长度、板的宽度、幂级数项数以及圆孔半径等对应力强度因子的影响.结果表明圆孔半径对应力强度因子的影响非常明显.在有限大板与无限大板两种情况下,裂纹长度与幂级数项数对应力强度因子的影响恰好相反.     

CRACK INTERACTING WITH AN INDIVIDUAL INCLUSION BY THE FRACTURE CRITERION OF CONFIGURATIONAL FORCE

基于构型力概念提出一种可判断裂纹起裂以及裂纹扩展方向的新断裂准则.该准则假设当构型合力值达到一个临界值时裂纹开始扩展,而裂纹扩展的方向则为构型合力的矢量方向.基于此断裂准则,本文开发构型力的有限元计算方法,实现对裂纹扩展的数值模拟,并着重对工程中常见的含孔洞/夹杂结构的裂纹扩展问题展开研究.研究结果表明,基于构型力的裂纹扩展准则可以很好地预测裂纹与孔/夹杂的干涉作用,其数值模拟结果与实验结果相符,从而验证了该裂纹扩展模拟方法的有效性.通过对裂纹和夹杂（圆孔、软夹杂、硬夹杂）干涉问题的数值模拟表明,裂纹前端夹杂对裂纹的扩展具有重要影响.裂纹的扩展方向与裂纹和夹杂的相对位置、以及夹杂类型密切相关.软夹杂和圆孔会吸引裂纹向其扩展,而硬夹杂会排斥裂纹扩展,裂纹在扩展过程中会绕开硬夹杂.当裂纹与夹杂夹角较小时,夹杂对裂纹扩展的影响作用明显,当夹角较大时,夹杂对裂纹扩展的影响较小;特别当裂纹与夹杂夹角为45°时,软夹杂和圆孔可能会抑制裂纹的扩展,使裂纹扩展发生止裂.研究结果有助于认清含孔洞/夹杂结构中的裂纹扩展或止裂问题,对于工程中的断裂问题具有重要指导意义.     

基于构型力断裂准则的裂纹与夹杂干涉问题

基于构型力概念提出一种可判断裂纹起裂以及裂纹扩展方向的新断裂准则.该准则假设当构型合力值达到一个临界值时裂纹开始扩展,而裂纹扩展的方向则为构型合力的矢量方向.基于此断裂准则,本文开发构型力的有限元计算方法,实现对裂纹扩展的数值模拟,并着重对工程中常见的含孔洞/夹杂结构的裂纹扩展问题展开研究.研究结果表明,基于构型力的裂纹扩展准则可以很好地预测裂纹与孔/夹杂的干涉作用,其数值模拟结果与实验结果相符,从而验证了该裂纹扩展模拟方法的有效性.通过对裂纹和夹杂(圆孔、软夹杂、硬夹杂)干涉问题的数值模拟表明,裂纹前端夹杂对裂纹的扩展具有重要影响.裂纹的扩展方向与裂纹和夹杂的相对位置、以及夹杂类型密切相关.软夹杂和圆孔会吸引裂纹向其扩展,而硬夹杂会排斥裂纹扩展,裂纹在扩展过程中会绕开硬夹杂.当裂纹与夹杂夹角较小时,夹杂对裂纹扩展的影响作用明显,当夹角较大时,夹杂对裂纹扩展的影响较小;特别当裂纹与夹杂夹角为45?时,软夹杂和圆孔可能会抑制裂纹的扩展,使裂纹扩展发生止裂.研究结果有助于认清含孔洞/夹杂结构中的裂纹扩展或止裂问题,对于工程中的断裂问题具有重要指导意义.     

冲击载荷下含空孔三点弯曲梁的动态断裂行为

为得到圆孔缺陷对运动裂纹扩展过程的影响规律,采用动态焦散线实验方法进行模型实验,研究了冲击载荷下含空孔三点弯曲梁的动态断裂行为。研究结果表明:空孔对裂纹扩展有极大的阻碍作用,在一定范围内,空孔直径越大,阻碍作用越明显。裂纹扩展到空孔附近时,扩展速度会下降。裂纹在空孔上部再次起裂后,最大扩展速度远远大于裂纹与空孔贯通前的最大扩展速度。裂纹扩展至空孔附近时,裂纹尖端动态应力强度因子KdⅠ和KdⅡ均会下降。裂纹在空孔上部再次起裂后,裂尖的应力强度因子KdⅠ和KdⅡ均大于裂纹与空孔贯通前裂尖的KdⅠ和KdⅡ。在整个扩展过程中,裂纹尖端的动态应力强度因子KdⅡ远小于KdⅠ,说明KdⅠ在裂纹扩展过程中起主要作用。     

基于圆弧底试件的动态裂纹扩展及止裂规律研究

为了研究脆性材料的动态裂纹扩展及止裂规律，设计了一种带圆弧形底边的梯形开口边裂纹（trapezoidal opening crack with arc bottom，TOCAB）构型的试件。在落锤冲击设备加载下，对圆心角为0°、60°、90°和120°的TOCAB试件进行了冲击实验，并采用裂纹扩展计(crack propagation gauge，CPG)监测裂纹起裂和扩展时间，从而获得裂纹扩展速度。采用有限差分软件AUTODYN对落锤冲击设备和试件进行数值模拟，研究了裂纹的动态扩展过程及止裂规律。还基于实验和数值方法，计算了裂纹的临界动态应力强度因子。实验和数值结果均表明:3种弧度的TOCAB试件都可以实现运动裂纹止裂，该构型可用于研究动态裂纹止裂问题；数值计算的裂纹扩展路径与实验结果基本一致，验证了数值模型的有效性；裂纹起裂和止裂时刻的临界动态应力强度因子大于裂纹动态扩展过程中的临界动态应力强度因子。     

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。     

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。     

蠕变材料Ⅰ型动态扩展裂纹尖端场

为了研究黏性效应作用下的动态扩展裂纹尖端渐近场，建立了蠕变材料Ⅰ型动态扩展裂纹的 力学模型.首先，依据在稳态蠕变阶段，弹性变形和黏性变形同时在裂纹尖端场中占主导地 位，由量级协调可知，应力和应变具有相同的奇异量级，即(σ,ε)∝/ r- 1/(n-1). 其次，通过渐近分析推导出动态扩展裂纹尖端场的控制方程并求得了裂纹尖端应 力、应变和位移分离变量形式的渐近解.最后，采用双参数打靶法求得了裂纹尖端应力、应 变的数值结果.数值计算表明，裂尖场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制；在Ⅰ 型动态扩展裂纹前方，环向应变达到最大值，可据此建立断裂准则. 由于裂纹稳定扩展与非稳定扩展的主奇异项相同，因此对于稳定扩展裂纹的渐近分析方 法，同样适用于非稳定的裂纹扩展问题.     

切槽孔爆破动态力学特征的动焦散线实验

应用爆炸加载的透射式动焦散线测试系统,分析了有机玻璃切槽孔爆破模型的裂纹动态特征变化规律。比较了不同切槽角度、切槽深度的定向断裂裂纹尖端的扩展长度、扩展速度和动态应力强度因子。初步探讨了切槽爆破的动态效应,研究表明切槽孔爆破早期裂纹破坏模式为爆炸拉应力波作用下的I型快速扩展裂纹,裂纹尖端拉应力集中积聚的较大应变能维持了爆炸裂纹进一步扩展,裂纹尖端扩展后期表现为P波、S波共同作用下的复合型扩展特征。切槽角为60时获得的定向断裂效果最好,合理切槽深度为炮孔半径的1/4～1/2。     

混合强化材料中Ⅰ型快速扩展裂纹的尖端场

本文采用和提出的混合线性硬化材料的塑性本构关系,对Ⅰ型动态扩展裂纹的尖端场作了渐近分析,考察了裂纹扩展速度和混合硬化参数β对尖端场的应力应变分布的影响。数值结果表明:当强化较弱时,裂纹的扩展速度对裂纹后方的张开位移率影响很大;随β的减小,裂纹扩展速度对各个量的影响增强。本文的结果对裂纹扩展准则的研究是有意义的。     

压剪载荷作用下界面裂纹尖端场的研究

建立了弹性-幂律蠕变双材料界面裂纹准静态扩展的力学模型，求得了裂纹尖端应力、应变和位移场分离变量形式的解及其数值结果；讨论了材料性能参数对裂纹尖端场的影响；计算和分析了界面裂纹的摩擦效应，并且得出了给定条件下裂尖场的轮廓图形．     

基于数字散斑相关方法测定Ⅰ型裂纹应力强度因子

提出了一种通过数字散斑相关方法测定金属材料Ⅰ型裂纹尖端位置和应力强度因子的实验方法.实验采用疲劳试验机对含Ⅰ型缺口的Cr12MoV钢试件预制裂纹,通过数字散斑相关方法测试试件在三点弯曲加载条件下裂纹的扩展过程及裂尖区域的位移场.将位移场数据代入裂尖位移场方程组,采用牛顿-拉普森方法求解含未知参量的裂尖非线性位移场方程组,计算裂尖位置和应力强度因子.实验结果表明,采用该方法可以准确地测定金属材料Ⅰ型裂纹应力强度因子、裂尖位置及裂纹扩展长度,解决了以往研究中因不能准确测定裂纹尖端位置,而无法准确计算Ⅰ型裂纹裂尖断裂参数的难题,揭示了金属材料裂纹扩展过程中应力强度因子演化特征.     

压电材料反平面运动裂纹的能量释放率与分叉角

用复变函数方法,研究了压电材料中反平面运动裂纹的动态断裂问题,研究表明：介质内的耦合场与裂纹运动速度有关,在裂纹尖端有奇异。应力强度因子与裂纹运动速度无关,与纯弹性结构一致,沿裂纹延长线扩展的动态能量释放率可用应力强度因子表示,而与电载荷无关,裂纹运动的高速度具有止裂作用,在一定条件下,裂纹有扩展成曲线裂纹或分叉的趋势。