加载角度对层理页岩裂纹扩展影响的实验研究

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）系统对页岩进行冲击实验,研究层理角度对页岩动态断裂过程的影响,在裂尖设置裂纹扩展计,借助高速摄影和数字图像相关（DIC）技术对页岩中心切槽半圆盘弯曲（NSCB）试件断裂的全过程进行研究,得到了不同加载角度下页岩的动态起裂韧度、裂纹扩展速度、断裂过程中应变场和水平位移场的变化规律。实验发现:不同加载角度下,页岩的动态起裂韧度具有显著的各向异性,加载角度与动态起裂韧度呈正相关;加载角度对试样的裂纹扩展速度具有显著影响,与裂纹扩展速度呈负相关;当冲击速度较低时,切槽方向是裂纹扩展的优势方向,而当冲击速度较高时,试样会产生沿层理弱面的次生裂纹,次生裂纹对试样的断裂具有显著影响。     

砂岩方梁断裂过程区范围的实验确定方法

裂纹前端的断裂过程区是引起岩石非线性断裂及尺寸效应的主要原因。利用数字图像相关技术对砂岩开展了三点弯曲梁实验,获得观测区域高精度的全场位移和应变数据,根据断裂韧带区域水平位移和水平应变的分布特征,结合裂尖岩石颗粒变化的微观分析,提出采用裂纹尖端水平位移波动性和水平应变突变性所得到的波动系数和水平应变突变值,确定断裂过程区形状和临界尺寸的方法。结果表明:砂岩断裂过程区的形状为不规则的狭长带状区域,断裂过程区的临界长度为11~13mm,临界宽度为1.58~2.36mm。断裂过程区区域内形变在趋向裂尖时呈指数增加,但其单位区域内的形变增量呈波动状态。该方法能够更加准确判断岩石断裂过程区的范围,有助于分析岩石的非线性断裂特性。     

某抽水蓄能电站地下洞室围岩岩体质量特征分析

考虑材料的黏性效应建立了II型动态扩展裂纹尖端的力学模型,假设黏性 系数与塑性等效应变率的幂次成反比,通过分析使尖端场的弹、黏、塑性得到合理匹配,并 给出边界条件作为扩展裂纹定解的补充条件,对理想塑性材料中平面应变扩展裂纹尖端场进 行了弹黏塑性渐近分析,得到了不含间断的连续解,并讨论了II型裂纹数值解的性质随各参 数的变化规律. 分析表明应力和应变均具有幂奇异性,对于II型裂纹,裂尖场不含弹性卸载 区. 引入Airy应力函数,求得了II型准静态裂纹尖端场的控制方程,并进行了数值分析, 给出了裂纹尖端的应力应变场. 当裂纹扩展速度($M\to 0$)趋于零时,动态解趋 于准静态解,表明准静态解是动态解的特殊形式.     

Ⅱ型动态扩展裂纹尖端的弹黏塑性渐近场

考虑材料的黏性效应建立了Ⅱ型动态扩展裂纹尖端的力学模型,假设黏性系数与塑性等效应变率的幂次成反比,通过分析使尖端场的弹、黏、塑性得到合理匹配,并给出边界条件作为扩展裂纹定解的补充条件,对理想塑性材料中平面应变扩展裂纹尖端场进行了弹黏塑性渐近分析,得到了不含间断的连续解,并讨论了Ⅱ型裂纹数值解的性质随各参数的变化规律.分析表明应力和应变均具有幂奇异性,对于Ⅱ型裂纹,裂尖场不含弹性卸载区.引入Airy应力函数,求得了Ⅱ型准静态裂纹尖端场的控制方程,并进行了数值分析,给出了裂纹尖端的应力应变场.当裂纹扩展速度(M→0)趋于零时,动态解趋于准静态解,表明准静态解是动态解的特殊形式.     

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。     

幂硬化弹塑性-刚性界面Ⅲ型定常扩展裂纹尖端的渐近场

对幂硬化弹塑性材料－刚性材料界面上裂纹以定常方式扩展的Ⅲ型问题进行弹塑性渐近分析，给出裂纹尖端的应力，应变和位移场解。通过数值计算，考察了不同Mach数以及裂纹尖端混合参数对场解的构造以及应力，应变分布的影响，为给出合理的断裂准则提供理论依据。     

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.     

不同韧性金属扩展裂纹尖端Gao—Hwang奇异场的实验研究

用云纹法和光学空间滤波技术,测量了六种不同应变硬化指数(n)的铝和铜金属材料双边裂纹,单向拉伸试件的扩展裂纹尖端三维位移场.利用试验得到的位移场,分析了位移奇异性,并与G-H 理论解进行了比较.由试验的位移场数据确定了理论解中两个待定常数A 和ε_■,给出了Ⅰ型、平面应力、幂硬化材料,扩展裂纹尖端奇异场的比较形式.在理论与试验位移场相差±10%的误差范围内,确定了试验的G-H 奇异场主导区范围、形状,并对结果进行了分析.试验表明:扩展裂纹尖端存在[ln(A/r)]~■奇异主导区.在本试验应变硬化指数为n=3.5→14的六种材料范围内,这个主导区形状由蝶形发展到扁圆或圆形.G-H 奇异主导区的尺寸和形状与材料、试件几何尺寸、外载形式有关.在G-H 场内部存在着三维变形区,裂纹尖端断裂过程区在此三维变形区内.随着外载荷不断增加,裂尖三维变形区内将出现典型的韧性损伤现象:首先在晶界或二相夹杂处,出现孔洞,然后孔洞逐渐长大,汇合,导致宏观裂纹扩展.载荷比较低时,在G-H 场外边还将有弹性场存在,随着载荷增加,G-H 场也在向外扩大.     

Ⅲ型定常扩展裂纹变形场的数值模拟与裂纹扩展阻力比

本文讨论对于各向异性硬化材料,裂纹定常扩展过程中,Ⅲ型裂纹的有限元分析的结果.利用数值计算结果,确定了(1)理想弹塑性;(2)各向同性硬化;(3)各向异性硬化三种情况下的局部渐近解的待定系数.得到了Ⅲ型定常扩展裂纹的全场解.指出,对于考虑各向异性硬化的材料,开口位移的近尖端断裂准则与裂纹尖端应变准则所描写的裂纹扩展阻力是不同的.它受到各向异性硬化参数M与硬化指数N的强烈影响.     

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。     

巴西圆盘泥岩试件裂纹扩展及应变演化实验研究

为了研究准静态加载条件下岩石试件巴西劈裂裂纹扩展规律,采用MTS试验机进行准静态加载,同时用高速摄像机记录裂纹扩展过程。采用白光数字散斑处理软件对摄像机记录的照片进行处理,得到试件裂纹扩展过程中应变场的演化情况。通过实验和分析可以看出,由于端部效应及加载方式的原因,因此裂纹起裂点在底部加载部位;泥岩试件表面裂纹的平均扩展速度为252m/s;岩石的非均质性即内部微缺陷、微裂纹使得泥岩试样的开裂并不是沿着中心直径方向,而是偏离一定的角度,初始偏离角度约为17°。裂纹扩展过程可以划分为三个阶段:泥岩试件宏观变形阶段(宏观无裂纹)、宏观裂纹稳定扩展阶段、宏观裂纹动态张裂阶段。同时,在裂纹扩展过程中,表面第一主应变场、水平位移场等变化明显,在开裂部位第一主应变最大。通过对圆盘泥岩试件裂纹扩展实验研究,可为研究岩石破裂及其演化规律提供依据。     

I型定常扩展裂纹尖端的弹黏塑性场

考虑材料在扩展裂纹尖端的黏性效应，假设黏性系数与塑性应变率的幂次成反比，对幂硬化材料中平面应变扩展裂纹尖端场进行了弹黏塑性渐近分析，得到了不含间断的连续解，并讨论了I型裂纹数值解的性质随各参数的变化规律. 分析表明应力和应变均具有幂奇异性，并且只有在线性硬化时，尖端场的弹、黏、塑性才可以合理匹配. 对于I型裂纹，裂尖场不含弹性卸载区. 当裂纹扩展速度趋于零时，动态解趋于准静态解，表明准静态解是动态解的特殊形式；如果进一步考虑硬化系数为零的极限情况，便可退化为Hui和Riedel的非线性黏弹性解.     

基于主应变场的混凝土全表面开裂特征实时测量与分析

测量裂纹的扩展过程对于揭示混凝土结构的破坏机理和评价其力学性能十分重要. 本文提出了一种基于混凝土表面变形场的裂纹定位和宽度测量方法, 首先基于多相机数字图像相关方法得到混凝土试件表面的高分辨变形场, 发现开裂引起的位移梯度使裂纹附近的虚主应变场明显区别于未开裂处, 且主应变场在裂纹法线方向近似高斯分布. 借鉴在激光条纹中心线定位中广泛采用的Steger算法思想, 提出了基于主应变场的裂纹定位方法, 并将裂纹两侧位于法线上的面内位移向量做差沿裂纹法线方向上的投影为Ⅰ型裂纹宽度, 沿裂纹切线方向上的投影为Ⅱ型裂纹宽度, 最终得到了裂纹每一点的位置和宽度. 利用高精度平移台设计了模拟裂纹扩展的实验, 以验证Ⅰ型裂纹宽度的测量精度. 实验结果表明: 裂纹宽度的测量误差在0.010 ~ 0.017像素之间, 与理论预测相符; 测量误差的标准差在0.006 ~ 0.008像素之间, 测量结果比较稳定. 在同等分辨率下, 本文方法的测量精度优于基于图像的裂纹测量方法. 本文提出的方法可以全自动、实时地测量裂纹扩展, 为混凝土实验提供了一种可靠、精确的全场裂纹测量手段.      

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。     

扩展裂纹尖端奇异场的实验研究

用云纹方法测量了 LY12-M 铝材,双边裂纹试件、扩展裂纹沿 x和y方向位移场u_x,u_y。实验的裂纹尖端奇异场与 GH 理论奇异场进行了比较。两者偏差在±10％范围内,得到实验的 GH 奇异场范围与形状。实验证明:扩展裂纹尖端场有(lnA/r)~(α+1)奇异主导区。该主导区形状由腰子形向扁圆、圆形过渡,接近裂纹扩展时形状不规则。在 GH 主导区内,裂纹尖端附近有一个三维贲形,材料损伤区。在该区内 GH 奇异性不存在。     

基于数字图像相关技术的岩样破坏实验的应用研究

为了解喀喇昆仑公路（中国段）沿线岩石裂纹演化及受力后的力学性能（位移和应变）,采用数字图像相关技术,对三点弯曲加载条件下的灰白石英粉砂岩和片麻岩试件在万能试验机上进行了破坏实验,得到了外力作用下裂纹生成、扩展等演化过程及两种岩样在加载直至破坏过程中的位移场和平均应变曲线．实验结果表明,在相同条件下,灰白石英粉砂岩比片麻岩更易脆断,片麻岩在受力断裂破坏时出现了多条裂纹,导致试件加剧断裂,研究成果为了解这一地域的岩石强度及破坏规律提供了实验依据．     

扩展裂纹准静态渐近解中的矛盾

裂纹尖端附近的应力应变场是一个相当复杂的问题,对于不同的情况,这个场具有完全不同的渐近属性.具体说来,场的渐近属性取决于裂纹状态(静止还是扩展)、几何特征(平面应变还是平面应力)、加载速度(准静态还是动态)、裂纹型式(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型)及材料性质(弹性、塑性、蠕变、……).其中,人们较为重视的一种情况是扩展裂纹尖端的塑性场.而且,为了使问题简化,通常采用准静态假定.对于理想塑性材料Ⅲ型扩展裂纹的渐近解由Chitaley和McClintock给出.对于Ⅰ型裂纹,Slepyan采用Tresca属服条件给出了渐近解,高玉臣和Rice采用Mises屈服条件得到了渐近解,但这些解只适用于     

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。     

一种基于应变梯度监测Ⅰ型裂纹的方法

基于线弹性断裂力学中I型裂纹的欧文解答,解析推导了在单向拉伸作用下无限大平板中I型裂纹尖端应变梯度场,建立了应变梯度与裂纹扩展之间的关联;基于挠曲电效应建立了电极化强度与应变梯度之间的力电耦合关系,提出了一种利用应变梯度传感器监测I型裂纹的方法,获知裂纹尖端坐标和裂纹扩展长度.本研究拟为应用应变梯度传感器对工程结构中裂纹扩展的实时监测提供初步的理论依据及方法.挠曲电感应技术在结构健康监测领域前景广阔.     

静止裂纹尖端实验的HRR奇异场

用近代光学试验方法(面内云纹和投影云纹),测量了不同应变硬化指数材料(n=3.350～9.180)、平面应力Ⅰ型双边裂纹试件、裂纹尖端附近位移场和应变场。由试验结果分析了裂纹尖端位移奇异性,得到J主导区和围绕裂纹尖端附近HRR场分布。分析了HRR分布随载荷、材料不同的变化规律。