缺陷对玄武岩中声波波速影响的实验研究

岩体是具有多种微结构的复杂体,具有明显的频散效应.过去的研究基本上将岩体中的孔隙率作为研究岩体微观结构的参数,这种方法无法考虑到岩体中细观缺陷的局部影响.本文选用水泥砂浆为参考材料,通过在试件中预制裂缝来研究含缺陷玄武岩的弹性波传播特性.对含不同裂缝的试样进行了5种频率的声波测试.结果表明:缺陷对玄武岩的弹性波频散效应影响很大,随缺陷所占比例的增大而增大.同时单轴加载下的弹性波测试则说明,在0～20MPa范围内,玄武岩弹性波波速随压力增大开始时候有一定幅度的升高,到8MPa以后由于玄武岩硬度相对较高,波速基本保持在一定水平.     

热冲击作用下非均质圆筒的广义热弹性分析

基于L-S广义热弹性理论,研究了非均质圆筒在热冲击作用下的广义热弹性问题。利用状态空间技术和有限差分格式,获得了材料性质沿径向任意梯度变化圆筒的一维广义热弹性解。通过算例分析,给出了延迟效应和耦合效应以及材料的梯度形式对圆筒内的温度和应力沿径向分布和随时间变化的影响。分析表明:延迟效应可反映热波以有限速度传播,波前形成巨大的温度梯度,并与弹性波相互作用引起尖峰应力;耦合效应在最初阶段或耦合系数较小时对温度传播影响较小,但会削弱尖峰应力的峰值;改变材料梯度可有效降低热冲击对圆筒内应力的影响。     

圆柱外表面受热冲击问题的广义热弹性分析

基于 L-S 广义热弹性理论, 针对实心圆柱体在外表面受均匀热冲击作用下的一维广义热弹性问题进行研究分析. 利用热冲击的瞬时特征, 借助于 Laplace 正、反变换技术及柱函数的渐近性质, 推导了热冲击作用周期内温度场、位移场和应力场的渐近表达式. 通过计算, 得到了热冲击条件下各物理场的分布规律以及延迟效应和耦合效应对热弹性响应的影响规律. 结果表明: 当考虑延迟效应和耦合效应时, 热扰动将以两组速度不同的波的形式向前传播, 延迟效应和耦合效应对各物理场的建立时间, 阶跃间隔和阶跃峰值均产生影响, 且延迟效应和耦合效应均在一定程度上削弱了热冲击的作用效果.      

PMN-PT夹层弹性半空间结构中SH波的传播Propagation of SH waves in sandwich structures consisting of PMN-PT single crystal layer and elastic half-spaces

分析了弹性上下半空间和PMN‐PT单晶层组成的夹层结构中SH波的传播性质,PMN‐PT单晶沿[011]c方向极化,宏观上呈mm2对称,且晶体沿角度θ方向切割。基于正交各向异性压电材料和各向同性弹性材料的基本方程,得到了夹层结构中SH波传播时行列式形式的频散方程。通过对数值算例进行分析可以看出,PMN‐PT单晶的切割角度和弹性材料属性对结构中的相速度有很大影响,因此波的某些传播性能可以通过材料的设计以及晶体切割的方向来实现,这些结论为声表面波器件的开发和应用提供了理论依据。     

PMN-PT夹层弹性半空间结构中SH波的传播

分析了弹性上下半空间和PMN-PT单晶层组成的夹层结构中SH波的传播性质,PMN-PT单晶沿[011]c方向极化,宏观上呈mm2对称,且晶体沿角度θ方向切割。基于正交各向异性压电材料和各向同性弹性材料的基本方程,得到了夹层结构中SH波传播时行列式形式的频散方程。通过对数值算例进行分析可以看出,PMN-PT单晶的切割角度和弹性材料属性对结构中的相速度有很大影响,因此波的某些传播性能可以通过材料的设计以及晶体切割的方向来实现,这些结论为声表面波器件的开发和应用提供了理论依据。     

曲面曲率对Rayleigh波传播特性的影响

对任意形状的均匀各向同性线弹性曲面物体,用 WKB～（1）方法求解了沿曲面传播的Rayleigh表面波的运动微分方程,同时考虑了波传播方向及其垂直方向曲面曲率对波的穿透性的影, 所获波动方程的势函数解答表明,在一般情况下垂直波传播方向的曲面曲率对波的穿透深度的影响是不容忽视的.进而以同种介质平面表面情况下的Rayleigh面波的传播特性为基准,给出了曲面曲率引起波数或波速变化的解析表达式.通过理论分析和数值算例,描述了曲面上Rayleigh面波传播行为的一些基本特征.     

热冲击下温度相关物性对热弹性响应的渐进分析

计及材料物性与温度的相关性,基于Green-Naghdi能量无耗散广义热弹性理论(G-N II理论),对热冲击下具有变物性特征材料的热弹性响应进行了求解分析.借助Laplace正、反变换技术以及Krichhoff变换,在热物性参数随真实温度呈线性规律的前提下,推导了半无限大体受热冲击作用时热弹性响应的解析表达式,通过求解分析,得到了热冲击下热波、热弹性波的传播规律,位移场、温度场以及应力场的分布情况,以及物性随温度相关性对热弹性响应的影响效果.结果表明:当考虑材料物性随温度的变化时,热波、热弹性波的传播以及各物理场的分布均受到不同程度的影响,且物性随温度相关性对热弹性响应的作用效果将受到材料热-力耦合特性的影响.     

压电空心圆柱中的波特性

基于三维线性压电弹性理论,采用Legendre多项式方法研究了电开路时压电空心圆柱中轴向波的传播特性.给出了结构的频散曲线及其相应的非压电情况,展示了压电的影响.比较了压电对轴对称模态和弯曲模态影响的区别.从电势分布的角度分析了压电对弯曲扭转波的影响.最后讨论了径厚比和极化方向对波传播压电效应的影响.     

缺陷岩体中弹性波传播的多次散射效应分析

弹性波在岩体中传播时与岩体缺陷相互作用形成复杂的传播图案。为研究缺陷对弹性波多次散射作用的影响,建立了双椭圆缺陷模型,基于Green函数基本解,采用边界积分的计算方法,得到了反映缺陷界面条件的刚度矩阵,分析了弹性波在双椭圆缺陷间的多次散射效应。结果表明：与单椭圆缺陷模型相比,双缺陷的相互作用使得弹性波频散和衰减效应增强,定量给出了缺陷的影响区域,从而明确了多次散射效应的尺度界限。进一步探讨了弹性波传播的多尺度效应,结果表明频散的Rayleigh峰、Mie峰和衰减的峰值频率同椭圆长轴和入射波波长两个尺度密切相关,存在明确的定量关系。相应的数值模拟结果表明,弹性波和缺陷相互作用在缺陷界面上诱发界面波,该界面波也存在频率相关性,影响了弹性波宏观传播的频散和衰减特征。     

压缩条件下玄武岩柱尺寸效应及破裂机理数值模拟研究

为研究压缩条件下玄武岩柱强度和变形的尺寸效应，及其破裂机理和破坏模式，本研究构建不同尺寸的玄武岩柱图像，然后将细观损伤力学、统计强度理论、连续介质力学相结合，基于RFPA^3D-CT的数字图像处理，将玄武岩柱图像转化为有限元网格模型，并分别赋予节理、岩石的材料力学参数，其中，考虑节理及岩石的非均质。开展压缩条件下的玄武岩柱数值试验，分析侧压、垂直柱轴方向(Ⅰ/Ⅱ)对玄武岩柱的力学尺寸效应的影响，以及玄武岩柱破裂过程的应力场演化与损伤破裂特征。研究表明：对于垂直柱轴方向Ⅰ的情况，当侧压为0 MPa,试件抗压强度无明显的尺寸效应；当侧压为2 MPa,试件抗压强度的尺寸效应临界值为4 m;当侧压为4、6、8 MPa,试件抗压强度的尺寸效应临界值为6 m。对于垂直柱轴方向Ⅱ的情况，当侧压为0、2 MPa,试件抗压强度无明显的尺寸效应；当侧压为4 MPa,试件抗压强度的尺寸效应临界值为4 m;当侧压为6、8 MPa,试件抗压强度的尺寸效应临界值为6 m。当侧压为0～8 MPa,随着模型尺寸的增加，试件抗压强度的横观各向异性系数变化范围为0.75～1.15;试件等效变形模量的横...     

不同地应力条件下切缝药包爆破的数值模拟

针对切缝药包定向爆破的特点,考虑岩石介质非均匀性的基础上,把岩石爆破视为爆炸应力波动态作用和爆生气体压力准静态作用的过程,基于损伤力学理论建立岩石爆破的力学模型,并对不同地应力条件下切缝药包爆破的裂纹演化规律进行数值模拟,分析不同地应力条件对切缝药包爆破效果的影响。模拟结果表明:采用切缝药包爆破时,裂纹主要萌生于切缝周边,沿切缝方向扩展,切缝对定向裂纹的控制作用明显;当考虑地应力作用,且最大地应力方向与切缝方向垂直时,不利于定向裂纹的扩展;最大地应力方向与切缝方向平行时,有利于定向裂纹的扩展。裂纹的扩展方向受控于切缝角度和最大地应力方向这2个条件,裂纹扩展规模则受到地应力的限制。     

爆炸荷载作用下模型介质裂纹扩展试验与分析

为研究爆炸载荷作用下裂隙介质裂纹扩展规律,以含人工裂隙的有机玻璃薄板为介质,分别以炮孔中心到人工裂隙垂直距离L和人工裂隙长度D为变量,采用单发雷管爆炸加载试验模型进行试验。试验结果表明,爆炸荷载作用将使裂隙介质形成径向裂纹、翼裂纹、层裂裂纹和似层裂裂纹;人工裂隙能够阻隔径向裂纹的扩展,径向裂纹的扩展对距离L比长度D更敏感;翼裂纹是爆炸绕射波或绕射波与压缩应力波共同作用产生的,翼裂纹的长度随距离L增加而降低;入射压缩应力波与反射拉伸应力波叠加形成的净拉伸应力拉裂介质形成层裂效应、引起径向裂纹弯曲形成似层裂效应,层裂裂纹和似层裂裂纹几乎平行于人工裂隙。研究结果可为裂隙岩体爆破设计、冲击矿压防治和结构工程防护等提供理论依据。     

Experimental investigation on the propagation of fatigue cracks emanating from sharp notches

The effect of notch geometry on the propagation of fatigue cracks emanating from sharp V-shaped notches is investigated by means of an experimental campaign performed on Al-7075-T651 specimens carrying notches with opening angles of 45°, 90°, and 135°. The samples were tested using a servohydraulic machine under different loading directions and at several loading levels. The crack deflection induced by the variation in loading direction was determined my measuring the kinking angle and by studying the crack propagation plane through fractographic analysis. A linear elastic fracture mechanics approach was adopted for the analysis of experimental results. Stress intensity factors were calculated using an appropriate weight function set up for studying inclined edge cracks emanating from sharp V-notches. The influence of K _II on the crack propagation was discussed on the basis of theoretical and semi empirical models.     

爆炸荷载作用下两平行裂纹对扩展中裂纹的影响规律

用实验和数值模拟方法，研究在爆炸载荷下岩体内部一对平行裂纹对扩展主裂纹的影响规律。实验中，采用带有中心装药孔及预制裂纹的砂岩圆盘试件，利用由示波器、超动态应变仪及裂纹扩展计所组成的测试系统，监测主裂纹扩展速度和扩展距离；数值模拟中，采用了AUTODYN软件进行，模拟了主裂纹及两平行裂纹的扩展规律，对岩石材料，采用线性状态方程及最大拉应力失效准则，并在两平行裂纹间设置相应的观测点记录应力曲线。通过实验与数值模拟分析，得到:爆炸载荷下，紧随冲击波后的稀疏波经过两平行裂纹面反射后变成压缩波，并在两平行裂纹间产生垂直于主裂纹扩展方向的压应力，对裂纹的扩展有压制、止裂作用；而且，这种压应力的大小与两平行裂纹的间距有关，进而导致了不同的止裂效果，影响裂纹的扩展速度及最终扩展长度。     

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.     

Microscopic analysis of crack propagation for multiple cracks, inclusions and voids

The elastic crack interaction with internal defects, such as microcracks, voids and rigid inclusions, is investigated in this study for the purpose of analyzing crack propagation. The elastic stress field is obtained using linear theory of elasticity for isotropic materials. The cracks are modeled as pile-ups of edge dislocations resulting into a coupled set of integral equations, whose kernels are those of a dislocation in a medium with or without an inclusion or void. The numerical solution of these equations gives the stress intensity factors and the complete stress field in the given domain. The solution is valid for a general solid, however the propagation analysis is valid mostly for brittle materials. Among different propagation models the ones based on maximum circumferential stress and minimum strain energy density theories, are employed. A special emphasis is given to the estimation of the crack propagation direction that defines the direction of crack branching or kinking. Once a propagation direction is determined, an improved model dealing with kinked cracks must be employed to follow the propagation behavior.     

钢轨轨底垂直振动模式导波检测技术的实验研究

现有铁路钢轨超声探伤车技术无法检测线路钢轨轨底缺陷,给铁路运输安全带来很大隐患.本文开展了钢轨轨底超声导波传播特性和垂直振动模式导波检测技术研究,采用半解析有限元方法分析了我国60型钢轨轨底的各振动模态导波频散曲线和波结构.应用模态锤技术对自由状态钢轨轨底垂直振动模态导波传播特性进行了实验测量,结果表明,在0～100kHz频率范围内,钢轨轨底垂直振动模态优势模式与厚度为14 mm板中的A0模式兰姆波具有等效性.进一步研究了激励频率、激励脉冲周数、传播距离对轨底垂直振动模态导波传播的影响,设计了导波斜探头,选择合适的参数在钢轨轨底激励出垂直振动模态导波并检测出了轨底的人工缺陷.本文的研究结果为线路钢轨轨底的导波检测技术奠定了一定的基础.     

The dynamic behaviour of an oblique edge-crack under impact loading

When a stress wave (tensile or compressive) impinges on a crack existing in an elastic medium, reflection, refraction and diffraction-phenomena take place. A result of diffraction is the loading of the crack. While compressive stress-waves do not create any stress concentration at the tip of an existing crack, tensile stress-waves develop stresses at the tip which may cause a propagation of the crack. If the tensile pulse is weak the crack may propagate by steps under the action only of successive tensile stress-pulses, whereas intermediate compressive-stress pulses do not have any influence.A complete study of the phenomena of incubation, initiation and propagation of cracks in thin plates, when they are subjected to a compressive pulse, which is subsequently reflected from the free boundaries of the plate and changed to complicated wave-trains, was undertaken in this paper, based on the method of caustics. Interesting results that were derived from this experimental study are presented.     

动静荷载对邻近巷道裂纹缺陷扰动的模拟实验

为了探究动静组合应力场作用下邻近巷道背爆侧裂纹缺陷的扩展规律,采用动静加载透射式动态焦散线方法进行了模拟实验,并结合裂纹尖端的动态应力强度因子和能量释放率进行了分析。实验结果表明:在动静荷载作用下,邻近巷道背爆侧裂纹缺陷处也成为巷道主要扰动区,且爆炸荷载对背爆侧预制裂纹的起裂起主导作用;p=0.2 MPa时的相同动静组合应力场中,背爆侧预制裂纹的扩展位移差异与裂纹的倾角有关,当θ=75°时,爆炸应力波无法驱动裂纹起裂;在相同爆炸荷载作用下,θ=30°时,较小竖向荷载对裂纹的扩展具有抑制作用,且抑制作用随所施加的竖向荷载增加而增大,当p=0.4 MPa时,裂纹无法起裂;裂纹最终扩展位移,与裂纹尖端动态应力强度因子在极大值上下振荡变化的持续时间,或在裂纹扩展阶段能量释放率积累量,呈正相关。     

P- and S-wave velocity and anisotropy in saturated rocks with aligned cracks

Rocks in the Earth’s crust contain cracks in variable amounts and on variable scales. Depending on the in situ stress level, cracks are always distributed in a common normal direction (so-called aligned cracks). In this study, we focus on the velocity and anisotropy of perfectly aligned cracks (parallel cracks). The theoretical model is introduced to calculate the elastic properties of cracked rocks based on solid matrix properties, crack parameters, and fluid properties. The theoretical results using high- and low-frequency limits and intermediate frequency for velocities and anisotropy are compared with experimental data measured in the laboratory, where rocks are saturated with water and air. We used four synthetic rocks with different crack densities (0.0, 0.0243, 0.0486, and 0.0729) in this study. The comparison shows that the results for high, low, and intermediate frequencies provide good predictions of the shear velocities and anisotropy for saturated cracked rocks. Quantitatively, the results of the P-wave velocity and anisotropy for intermediate frequency fit the measured data better than that for the high- and low-frequency limits. Compared with water saturation, dry cracks with high compliance have a strong influence on the total compliance of rock. The water saturation results in high P-velocities and a low P-anisotropy, while dry cracks induce much lower P-velocities and a high P-anisotropy. The shear wave anisotropy is fluid-independent, theoretical results fit the measured data well in both water saturation and the dry case.