复杂应力下脆性岩石材料的微裂纹损伤特性

基于无限大体深埋平片状椭圆形裂纹的变形场及其扩展条件,分别推导了脆性岩石材料内部具有任意空间取向的单个张开型或闭合型椭圆形微裂纹及其扩展引起的附加柔度张量;考虑微裂纹系统对材料变形的影响,引入了概率密度函数,得到了任意应力状态下脆性岩石材料的宏细观损伤模型;分析了椭圆形微裂纹的短长轴比率对材料损伤的影响.计算结果显示:材料损伤随着短长轴比率的增大而增大,短长轴比率对材料损伤的影响会随着载荷的增大而提高.将本文模型应用于混凝土的单轴拉伸和花岗岩的单轴压缩,结果表明本文模型能够对实验现象给予很好地解释.     

基于细观力学的混凝土弹塑脆性损伤研究

将混凝土假定为一种由硬化水泥砂浆、粗骨料、界面粘结带所组成的三相复合材料,在满足骨料级配曲线算法的基础上,采用细观单元的弹塑脆性损伤本构关系,考虑材料的非均质特性,建立了基于细观力学的混凝土弹塑脆性损伤数值模型;分别研究了单轴受拉预置裂纹试样和单轴受压混凝土试样的细观弹塑脆性损伤破坏行为,并揭示了混凝土的宏观表征强度存在明显的尺寸效应,通过将计算结果与 Bazant 尺寸效应公式、单轴受压物理实验曲线进行对比,验证了模型的正确性。数值试验表明：该模型可以清晰地模拟混凝土细观塑性屈服和失效裂纹的萌生和扩展。骨料与水泥砂浆间的界面粘结带相对薄弱,在混凝土试件形成宏观损伤局部化带前,试件的屈服和破坏首先发生在骨料边缘处的界面位置,并沿着界面粘结带扩展、贯通;同时,导致宏观裂纹形成和发展的因素仍以细观单元的拉伸破坏为主。     

PBX炸药的拉伸断裂损伤分析

采用巴西实验作为间接拉伸加载手段,研究了某PBX(polymer-bonded explosive)炸药试样拉伸作用下的断裂损伤特性.发展了PBX炸药的光学制备技术,获得了试样在光学显微镜下的细观表面形貌和断裂损伤形貌,结合高速摄影和数字相关分析技术获得了试样的形变和破坏过程.实验结果表明该PBX炸药的静态拉伸强度低于...     

单轴拉伸条件下脆性岩石微裂纹损伤模型研究

利用断裂力学、损伤力学和均匀化原理,对脆性岩石单轴拉伸条件下的力学特性进行分析,建立了脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.首先对岩石内部微裂纹的统计分布规律进行分析,给出了理论分析过程中微裂纹分布的假设条件,在此基础上,参考已有研究成果,得到含细长微裂纹脆性岩石有效弹性参数的计算公式.然后,对岩石内部单一微裂纹进行断裂力学和损伤力学分析,得到了扩展裂纹尖端的应力强度因子计算公式,在一定微裂纹断裂扩展准则和断裂扩展速率的假设基础上,利用积分原理,得到了岩石整体的损伤变量和损伤演化方程,由此建立单轴拉伸条件下脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.最后,通过一花岗岩的单轴拉伸试验结果对微裂纹损伤本构模型进行了验证.     

准脆性材料损伤破坏的细宏观联结分析

准脆性材料在外力作用下不仅产生应力与变形,而且还会内部缺陷或微裂纹随着变化和出现宏观裂缝扩展.根据材料的微细观测,通过固体力学原理建立模型分析其微裂纹与宏观裂缝之间的关联.材料中宏观裂缝端部通常存在损伤区,且在该区内存在许多相对微小缺陷或微裂纹,从而使得材料局部变形增加而力量减弱.若把该损伤带视为裂缝一部分,那么在该虚拟裂缝两岸上将存在分布黏聚力;虚拟裂缝两岸的相对位移将是微裂纹区变形及扩展的综合体现.为此,对包含有细观裂纹的代表性体积单元进行力学计算,然后将其嵌入到宏观裂缝端部损伤带的变形计算中,以探寻固体失效的细观与宏观尺度力学分析的联结,并与实测数据相对比.     

PBX炸药本构关系的实验研究

在SHPB装置上开展了某典型PBX炸药的单轴压缩、间接拉伸实验。利用入射波整形技术,结合 半导体应变片和石英晶体联合测试的方法,实现了PBX炸药的应力平衡和恒应变率加载,得到了不同应变率 下某PBX炸药的压缩应力应变曲线,初步建立了该炸药的修正Sargin唯象模型;开展了3种PBX炸药的动 态巴西实验,通过高速摄影获得了炸药的破坏过程,结合数字相关技术,获得了试样裂纹附近的应变场分布, 初步建立了描述3种炸药动态拉伸行为的修正Johnson-Cook模型。模型曲线与实验结果符合较好。     

铝锂合金微裂纹—短裂纹生工过程的实验观察

通过二元铝锂合金的细观拉伸疲劳实验，动态观察了试样表面金相微观结构组织的变化一裂纹的萌生及扩展直至断裂的全过程，并分析讨论了晶界及微结构对微裂纹萌生及扩展的影响，微裂纹向短裂纹，长裂纹发展的判据，该实验材料是模型材料，晶界结合强度较弱，裂纹沿晶开裂现象较多，经对实验结果及金相裂纹分析，表明金属材料微结构对裂纹扩展有明显的影响，晶界作为一种物质界面在于晶粒间，具有一定的物理和力学性质，对微裂纹扩展速     

铝锂合金微裂纹-短裂纹生长过程的实验观察

通过二元铝锂合金的细观拉伸疲劳实验，动态观察了试样表面金相微观结构组织的变化及微裂纹的萌生及扩展直至断裂的全过程，并分析讨论了晶界及微结构对微裂纹萌生及扩展的影响，微裂纹向短裂纹、长裂纹发展的判据．该实验材料是模型材料，晶界结合强度较弱，裂纹沿晶开裂现象较多．经对实验结果及金相裂纹分析，表明金属材料微结构对裂纹扩展有明显的影响．晶界作为一种物质界面存在于晶粒间，具有一定的物理和力学性质，对微裂纹扩展速率及发展行为有较大影响．     

含夹杂和微裂纹复合材料的损伤演化和分析

利用细观力学的Ｅｓｈｅｌｂｙ和Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ理论，考虑纤维和微裂纹之间的相互作用，研究了定向分布微裂纹的演化规律及其对材料力学性能的影响，分析了纤维体积份数，弹性系数、微裂纹密度，纤维不同取向与基体开裂强度之间的变化关系，并给出了许多有意义的结论。     

混凝土拉伸断裂的细观数值分析

根据混凝土试件拉伸和三点弯曲的物理模型,用梁-颗粒模型BPM 2D(B eam-Particle M ode l)模拟了混凝土拉伸和三点弯曲试件微裂纹的萌生、扩展直至试件宏观破坏的全过程。在梁-颗粒模型中用三种类型梁单元形成混凝土细观数值模型,每种类型梁单元的力学性质均按韦伯(W e ibu ll)分布随机赋值以模拟混凝土细观结构的非均匀性。数值模拟结果给出了混凝土拉伸应力-应变曲线和三点弯曲载荷-位移曲线,以及混凝土试件破坏过程最大应力分布图和裂纹扩展图。数值模拟结果显示混凝土破坏过程实际上就是微裂纹萌生、扩展、贯通,直到宏观裂纹产生导致混凝土失稳断裂的过程。通过对数值模拟结果的分析,揭示出混凝土在拉伸条件下裂纹尖端的拉应力集中是裂纹扩展的动力,混凝土组成材料力学性质的非均匀性是造成裂纹扩展路径曲折的重要原因。     

单轴荷载下饱水岩石静态和动态抗压强度的细观力学分析

由于单轴荷载下饱水岩石的动态力学特性与静态力学特性存在很大差异,从宏观上进行力学分析 存在局限性。根据岩石受压全应力应变曲线的细观机制,分析了静态及动态单轴荷载条件下孔隙水影响饱水 岩石裂纹扩展的情况。在静态单轴压缩条件下,初始裂隙受压使自由水产生孔隙水压力,自由水对翼裂纹有 向外挤压的应力,促进裂纹扩展。在动态单轴压缩条件下,自由水会产生粘结力,抑制裂纹扩展。根据翼裂纹 受压扩展原理,推导出饱水单轴条件下动态抗压强度、静态抗压强度的计算公式,在相同断裂韧度下,饱水岩 石静态抗压强度风干岩石静态抗压强度饱水岩石动态抗压强度。对自然风干和饱水砂岩进行单轴静态、 动态压缩实验,结果与理论模型的结果相符。     

单轴压缩下2种PBX炸药的动态变形损伤及其温升效应

通过炸药单轴压缩实验,利用高速摄影和高速红外热像仪,对2种典型PBX炸药变形损伤过程和温升效应进行了实时观测。实验结果表明,2种典型PBX炸药的损伤以及温升效应表现出明显差别:低粘结剂含量的炸药表现出明显的脆性特征,材料应力应变曲线中的应变软化阶段是伴随着材料损伤的演化过程,最终的失稳破坏导致样品中贯穿裂纹的形成,非均匀的裂纹分布对应于局部高温带的出现; 高粘结剂含量的炸药表现出明显的韧性特征,材料应力应变曲线未出现应变软化现象,变形损伤分布较均匀,但剪切方向出现网络状的温升分布。     

岩石紧凑拉伸断裂过程及其尺寸效应的三维数值模拟

采用最近开发的三维岩石破裂过程分析软件RFPA3D模拟单边裂纹紧凑拉伸断裂过程。试验中五个不同尺寸的岩样具有相同的力学性质参数分布,模拟结果得到了裂纹扩展中的应力场、位移场和声发射的空间分布以及单边裂纹扩展贯通的过程。单边裂纹拉伸断裂的路径是一个复杂的空间三维曲面,三维裂纹比二维裂纹更为复杂。分析了岩石试样的峰值强度和试样尺寸之间的关系。随着岩样尺寸的增加,峰值强度逐渐减小,并且延性破坏特征更加明显,模拟结果满足岩石的尺寸效应规律。最后模拟了三组不同均匀性的试样拉伸破坏过程,结果表明细观上的非均匀性对岩石尺寸效应有很大影响,随着非均匀性的增加,岩石宏观强度随之提高,即使在均匀材料中一样存在尺寸效应。     

单轴压缩条件下溶蚀岩体力学特性数值试验研究

工程尺度的溶蚀岩体难以开展室内外力学试验，导致溶蚀岩体的力学参数获取存在困难，因此基于岩石矿物含量特征、室内力学试验和岩体结构面特征，采用三维颗粒流离散元法，通过建立等效孔隙型溶蚀岩体模型进行单轴压缩数值试验，进而分析其力学特性和变形破坏机制。研究表明：采用改进平行黏结模型，基于细观矿物特征，通过元胞自动机算法剔除颗粒可建立孔隙型溶蚀岩体模型；加载前期，岩体结构面首先快速破坏而产生以剪切为主的微裂纹；随加载进行，岩块内逐渐产生以拉裂纹为主的破坏，其微裂纹呈指数增加，而结构面微裂纹先激增后趋于稳定；相同轴向应变时，岩块内拉裂纹随溶蚀率增加而增加，而结构面剪切微裂纹减少；岩体的变形破坏分为结构面快速破坏、岩块弹性变形、岩块塑性变形和岩体完全破坏等4个阶段，其破坏形式随溶蚀率增加而从整体均匀性破坏转化为局部结构性破坏；溶蚀使岩体强度降低，溶蚀率与单轴抗压强度和变形模量分别呈反比和负指数函数关系。     

基于真实细观结构的准脆性材料三维建模及应用初探

采用连续切片的方法获取准脆性材料的表面图像,利用数字图像处理技术检测材料的细观结构并进行矢量化。通过一种简单的变换,将每一切片矢量化的细观结构转换成单层的三维结构,然后将这些切片连续的细观结构逐层叠加,形成整个试件的三维真实细观结构,并针对准脆性材料图像的特点,编制了能够批量处理数字图像并进行细观结构矢量化的程序,建立了与有限元三维网格模型之间的数据接口,模型数据可直接导入岩石三维破裂过程分析RFPA3D系统中,研究真实细观结构对准脆性材料破坏力学行为的影响。以颗粒材料为例,分析了在单轴受压情况下的三维空间裂纹的产生及扩展过程,计算结果显示颗粒分布与界面显著影响材料的破裂模式。     

颗粒缺陷相互作用下复合材料的细观损伤模型

含尖角的非椭球颗粒附近应力集中较大,诱导缺陷形成裂纹是材料损伤的重要来源.对于强界面颗粒,大刚度颗粒诱导裂纹向基体中扩展形成近似平面片状裂纹,认为诱导裂纹受颗粒应力附近应力场控制,基于有效自洽理论建立了材料细观损伤模型,得到了单向拉伸下的损伤演化,并分析了颗粒形状、尺寸、颗粒性能以及颗粒与初始缺陷相对位置等因素对材料损伤的影响.结果表明,非椭球颗粒更易诱发裂纹,同样外载应力下,损伤程度更大,含非椭球颗粒材料强度更低;含扁平型的颗粒材料裂纹损伤过程更加明显并且材料强度更大;提高颗粒刚度和含量能够增大材料强度.材料中存在尺寸过大或过小的初始裂纹时材料损伤过程不明显.     

基于声发射矩张量分析混凝土破坏的裂纹运动

从细观上看, 混凝土是一种由骨料、水泥浆基体、裂纹等组成的非均匀复合材料. 单轴准静态加载条件下, 应力应变曲线表现出明显的准脆性特征. 其变形破坏过程实质上是内部微裂纹产生、扩展和汇合的过程, 研究细观尺度的裂纹扩展演化将有助于深入了解混凝土的变形和破坏过程. 声发射作为一种物理检测方法可以获取材料内部细观损伤演化的物理信息. 本文基于声发射技术, 结合改进的时差定位算法和矩张量理论对声发射信号进行分析, 反演了混凝土巴西劈裂破坏中裂纹位置、裂纹类型以及裂纹面运动方向, 揭示了混凝土宏观拉伸破坏的细观裂纹扩展机制. 结果表明: 裂纹运动过程清晰地显示了混凝土内裂纹源首先在试件与载荷接触面附近产生, 之后聚集形成局部损伤区域, 并沿轴线向中心扩展(加载平面)以及裂纹从试件中间向表面扩展的动态过程(厚度方向); 裂纹运动体积可以作为裂纹形成、扩展过程中弹性能释放的度量, 初始裂纹成核时体积参数较小, 峰值载荷时, 裂纹运动体积最大达到$5.93\times10^{-4}$ mm$^{3}$; 混凝土宏观尺度的拉伸破坏在细观尺度上存在有拉伸裂纹、混合裂纹以及剪切裂纹; 拉伸裂纹最多, 占裂纹总数约为60%, 剪切裂纹最少, 约占裂纹总数的10%; 拉伸裂纹运动主导了试件的宏观劈裂破坏.      

基于神经网络和平直节理接触模型的细观参数标定方法

近年来,颗粒流程序离散元分析方法在岩石工程领域广泛应用,它从细观角度最大限度地还原了岩石等材料力学行为的本源,但颗粒流模型的细观参数与岩石材料的宏观参数并不相同,其标定过程复杂、耗时。为此,基于平直节理接触模型,以单轴压缩、直接拉伸和双轴压缩等数值模拟试验测试岩石材料宏观力学参数;对模型细观参数进行正交设计,并通过多因素方差分析研究宏细观参数之间的关系;采用BP (back propagation)神经网络建模对细观参数进行标定并校核标定结果,校核结果表明细观参数标定精度普遍高于90%,且总体误差较小,证明了标定方法的可行性。结合花岗岩在室内常规试验下的应力-应变曲线和破坏特征,验证了神经网络的反演方法在标定岩石材料细观力学参数工作中的有效性。     

链网模型与Si_3N_4陶瓷材料宏细观力学行为模拟

假定原位增强陶瓷材料中存在的众多微裂纹将基体分割成块，增强体长颗粒的桥联是块间的传力机制，提出了一种链网模型，用于模拟材料宏观力学行为与细观损伤演化．论述了模型参量与材料细观组元几何，物理参数之间的关系，给出了典型的数值模拟结果并进行了统计分析     

混凝土类材料动态拉伸强度的微观力学模型

基于水泥砂浆试样动态劈裂拉伸实验,研究了不同加载速率下水泥砂浆材料动态劈裂时的裂纹发 生和扩展规律,提出一个微观力学模型。结果表明,微裂纹惯性是混凝土类材料动态拉伸实验中测量到的动 态拉伸强度随应变率的增加而提高的一种微观机制。