三维裂纹扩展轨迹的边界元数值模拟

提出了一种对三维裂纹扩展轨迹进行数值模拟的新方法。采用一种新的具有C^1连续性、高精度的单节点二次边界单元，使边界元(BEM)的分析效率和裂纹张开位移(COD)、应力强度因子(SIF)的精度大大提高。采用裂纹张开位移全场拟合法(GCDFP)求出裂纹面前缘的SIF，所得到的SIF达到与所用的COD资料同样的精度。使用Paris公式求出裂纹前缘各点的裂纹扩展增量，并用三次B样条函数对这些增量进行拟合，得到新的光滑裂纹前缘。根据以上思想方法，开发了具有较高的计算效率和精度的数值模拟软件。此软件可以自动跟踪裂纹扩展，得到裂纹扩展的轨迹。运用该软件对椭圆和矩形裂纹的扩展轨迹进行了数值模拟。其结果与理论上的预言完全一致，裂纹最后都趋于一个圆裂纹，具有实际指导意义。     

CT试样三维疲劳裂纹扩展数值模拟

在循环载荷下疲劳裂纹的裂纹形貌在稳定扩展区近似为半椭圆形状,因此通过Paris方法根据疲劳裂纹表面尖端点应力强度因子的变化幅值(△K)得到扩展速率与真实的裂纹速率会有误差.为了更好的研究疲劳裂纹的性质,本文通过分析紧凑拉伸(CT)试样的疲劳裂纹扩展后的三维形貌,采用Jiang-Sehitoglu循环塑性模型和疲劳准则以...     

双轴载荷作用下源于椭圆孔的分支裂纹的一种边界元分析

利用一种边界元方法来研究双轴载荷作用下无限大板中源于椭圆孔的分支裂纹.该边界元方法由Crouch 与 Starfied 建立的常位移不连续单元和笔者提出的裂尖位移不连续单元构成.在该边界元方法的实施过程中,左、右裂尖位移不连续单元分别置于裂纹的左、右裂尖处,而常位移不连续单元则分布于除了裂尖位移不连续单元占据的位置之外的整个裂纹面及其它边界.文中算例说明本数值方法对计算平面弹性裂纹的应力强度因子是非常有效的.该文对双轴载荷作用下无限大板中源于椭圆孔的分支裂纹的数值结果进一步证实本数值方法对计算复杂裂纹的应力强度因子的有效性,同时该数值结果可以揭示双轴载荷及裂纹体几何对应力强度因子的影响.     

多裂纹扩展分析的边界元方法

采用边界元数值模拟和即时等效材料常数计算相结合的办法,只需模拟一个裂纹的扩展情况便可预测裂纹体的整体响应.针对准脆性材料的特点,采用粘性裂纹模型模拟裂纹开裂行为;采用二次裂纹扩展量作为增量控制变量,避免了软化及失稳分析中用力或位移作控制变量时遇到的困难.针对二次裂纹扩展路径未知情况,给出了预测和修正裂纹开裂界面的迭代技术.分析计算了含多个规则分布裂纹石膏板受压时的响应,并与实验结果进行了比较.结果表明该文方法的可行性与有效性.     

表面裂纹疲劳扩展的数值模拟

建立了一种无形状约束的模拟表面裂纹在线弹性断裂力学条件下疲劳扩展的数值方法,并研究了表面疲劳裂纹形状演化和裂纹尖端应力强度因子(SIF)的分布特征。该方法以三维有限单元技术和Paris疲劳裂纹扩展规律为基础,并在裂纹扩展增量计算中考虑了裂纹闭合影响。本文第一部分主要介绍模拟三维疲劳裂纹扩展的数值方法的理论背景和相关的技术细节。着重分析和讨论基于三维有限单元法计算裂纹SIF所涉及的几个主要问题:裂纹尖端单元网格密度对估算精度的影响;自由表面的影响及其修正方法;裂纹尖端非正交单元网格的影响及修正方法。     

扩展边界元法研究围压下巴西圆盘应力强度因子

建立了扩展边界元法,研究围压作用下巴西V形切口圆盘(SV-BD)应力强度因子的新途径.首先在切口尖端区域挖取一微小扇形域,将该扇形区域的位移和应力场表示为有限项奇性指数和特征角函数的线性组合,代入弹性力学控制方程,导出关于巴西圆盘切口应力奇性指数的常微分方程组特征值问题,运用插值矩阵法一次性计算出切口各阶应力奇性指数及其相应的位移特征角函数.再将位移和应力场的组合回代到在被挖去微小扇形域后的剩余结构内建立的边界积分方程,离散后求解出组合系数,同时获得巴西V形切口圆盘(SV-BD)应力强度因子.数值计算结果表明:扩展边界元法计算纯围压作用下巴西裂纹圆盘应力强度因子的结果与解析解的相对误差不超过0.548％,证明了论文方法的有效性;还表明纯围压作用下,随着切口张角的增大,巴西圆盘应力强度因子逐渐由负值向正值转化.因此,纯围压作用下,巴西裂纹圆盘和小张角巴西切口圆盘是闭合的,而大张角巴西切口圆盘是Ⅰ型劈裂破坏的.     

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。     

基于单元破裂的岩石裂纹扩展模拟方法

传统离散元方法在处理破裂问题时, 采用界面上的准则进行判断, 裂纹只能沿着单元边界扩展. 当物理问题存在宏观或微观裂隙时, 在界面上应用准则具有其合理性; 而裂纹沿着单元边界扩展, 使得裂纹路径受网格影响较大, 扩展方向受到限制. 针对上述情况, 可以基于单元破裂的方式, 构建连续- 非连续单元法, 并应用于岩石裂纹扩展问题的模拟. 该方法在连续计算时, 将单元离散为具有物理意义的弹簧系统, 在局部坐标系下由弹簧特征长度、面积求解单元变形和应力, 通过更新局部坐标系和弹簧特征量, 可进一步计算块体大位移、大转动, 连续问题计算结果与有限元一致, 同时提高了计算效率. 在此基础上, 引入最大拉应力与莫尔—库伦的复合准则, 判断单元破裂状态和破裂方向, 并采用局部块体切割的方式, 在单元内形成初始裂纹. 裂纹两侧相应增加新的计算节点, 同时引入内聚力模型描述裂纹两侧的法向、切向作用与张开度及滑移变形之间的关系. 按此方式, 裂纹尖端处的扩展路径可穿过单元内部和单元边界, 在扩展方向的选取上更为准确. 最后, 通过三点弯曲梁、单切口平板拉伸、双切口试样等典型数值试验, 模拟裂纹在拉伸、压剪等各种应力状态下的扩展问题, 并对岩石单轴压缩试验的破坏过程进行模拟, 分析裂纹形成与应力—应变曲线各阶段之间的对应关系. 结果表明: 连续—非连续单元法通过单元内部破裂的方式, 可以显示模拟裂纹萌生、扩展、贯通直至形成宏观裂缝的过程.     

页岩气藏压裂缝网扩展数值模拟

为探究页岩气藏水力压裂复杂裂缝网络的形成机理,开展了缝网扩展的数值模拟研究.考虑应力阴影和天然裂缝作用,建立了井筒和裂缝中流体流动模型,利用位移不连续方法求解应力与位移不连续量,然后构建了压力与裂缝宽度的迭代方程,并采用牛顿迭代法求解.通过比较数值解经典模型解析解,验证了模型和迭代解法的正确性.多簇裂缝同步扩展时裂缝间距越小,压裂液分配到各条裂缝越不均匀,靠近井筒跟部的裂缝的分流量越大,从而裂缝宽度越大;考虑天然裂缝作用时,逼近角越小或者应力各向异性越弱,水力裂缝越容易发生转向扩展,裂缝网络越复杂.     

Z 形与曲线形裂纹的不连续位移解法

本文采用Fourier变换方法,导出了无限平面不连续位移的弹性解,并利用应力(或位移)边界条件建立了一组求解裂隙表面间断位移的线性代数方程。证明了Z形与曲线形裂纹应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ与无限平面单直裂纹问题的等价性,进而获得了Z形与曲线形裂纹尖端应力强度因子的数值结果。和现有数值方法比较,本方法具有未知量少、精确度高以及收敛性强的优点。     

The displacement discontinuity method in the analysis of open cracks

The application of the displacement discontinuity numerical technique to the solution of some problems of fracture mechanics is demonstrated in the hypothesis of homogeneous and elastic material. The fracture is supposed to be free from traction and is represented by a set of constant displacement discontinuity elements, except for two parabolic elements, located at each crack tip, in order to simulate the singularity of the solution near the crack tips. On the basis of the stress and displacement field determined by the displacement discontinuity method, the stress intensity factors for mode I and II are computed according to the method of the displacements. Three examples are provided to verify the validity of the formulation.

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Sommario Lo scopo del presente lavore è di illustrare l'applicazione del metodo numerico della Displacement Discontinuity alla soluzione di alcuni problemi di meccanica della frattura, nell'ipotesi di materiale omogeneo ed elastico. La frattura è supposta aperta ed è rappresentata da una linea di elementi a discontinuità di spostamento costante, con l'eccezione di due speciali elementi parabolici, ubicati agli apici, al fine di simulare la singolarita' del campo tensionale. Sulla base del campo degli sforzi e degli spostamenti cosi determinati, vengono ricavati i fattori di concentrazione degli sforzi in modo I e II mediante il metodo degli spostamenti. Vengono inoltre riportati tre esempi di calcolo, effettuati al fine di verificare la validità del procedimento proposto.

     

平面弹性介质多孔多裂纹问题的一种数值方法

提出了平面弹性介质中多孔洞多裂纹相互作用问题的一种数值计算方法. 通过把适于单一裂纹的Bueckner原理扩充到含有多孔洞多裂纹的一般体系,将原问题分解为承受远处载荷不含裂纹不含孔洞的均匀问题,和在远处不承受载荷但在裂纹面上和孔洞表面上承受面力的多孔洞多裂纹问题. 于是,以应力强度因子作为参量的问题可以通过考虑后者(多孔洞多裂纹问题)来解决,而利用提出的杂交位移不连续法,这种多孔洞多裂纹问题是容易数值求解的. 算例说明该数值方法对分析平面弹性介质中多孔洞多裂纹相互作用的问题既简单又有效.     

Computational‐Experimental Method for Determining Fracture Parameters of Cracked Structures

Computationalexperimental methods are proposed to estimate the mode I and II stress intensity factors, to determine the stresses acting at the location of a crack before its initiation, and to find the coordinates of the crack tips. The initial data are displacement discontinuities measured at several points at the crack edges. The methods are based on integral representations of the solution of the elastic equilibrium problem for anisotropic plates with a curved cut. Numerical examples are given to illustrate the efficiency of the methods.     

主裂纹与微裂纹相互作用问题的有效数值计算方法

提出了平面弹性介质中主裂纹与微裂纹相互作用问题的有效数值计算方法. 通过把适于单一裂纹的Bueckner原理扩充到含有多裂纹的一般体系,将原问题分解为承受远处载荷不含裂纹的均匀问题,和在远处不承受载荷但在裂纹面上承受面力的多裂纹问题. 于是,以应力强度因子作为参量的问题可以通过考虑后者(多裂纹问题)来解决,而利用提出的杂交位移不连续法,这种多裂纹问题是容易数值求解的. 列举Cai和 Faber为评价主裂纹与微裂纹相互作用问题的近似方法而列举的算例,说明该数值方法对分析平面弹性介质中主裂纹与微裂纹相互作用问题既简单又非常有效.     

不连续位移基本解的简单推导法

应用功的互等定理推导了平面问题的不连续位移基本解,指出了开尔文解中的某些应力分量对应于不连续位移基本解中的某些位移分量的规律。     

3D Coupled Displacement Discontinuity and Finite Element Analysis of Reservoir Behavior during Production in Semi-infinite Domain

In this paper, we apply a DDM-FEM coupling method to reservoir simulation to evaluate the reservoir behavior over a compacting oil reservoir in half space. We use displacement discontinuity methods to account for the reservoir surroundings, and finite element methods in the fully coupled simulation of the reservoir itself.     

内部压力作用下矩形板中源于椭圆孔的分支裂纹应力强度因子的一种数值分析

应用一种边界元方法来研究内部压力作用下矩形板中源于椭圆孔的分支裂纹。该边界元方法由Crouch与Starfied建立的常位移不连续单元和笔者最近提出的裂尖位移不连续单元构成。在该边界元方法的实施过程中,左、右裂尖位移不连续单元分别置于裂纹的左、右裂尖处,而常位移不连续单元则分布于除了裂尖位移不连续单元占据的位置之外的整个裂纹面及其它边界。本数值结果进一步证实这种数值方法对计算有限大板中复杂裂纹的应力强度因子的有效性,同时该数值结果可以揭示裂纹体几何对应力强度因子的影响。     

拉伸载荷作用下单边缺陷-边裂纹应力强度因子研究

利用杂交位移不连续法研究拉伸载荷作用下矩形板中单边缺陷-边裂纹(半圆孔裂纹和半方孔裂纹)问题,给出了这三种平面弹性裂纹问题的应力强度因子的详细数值解。通过半圆孔裂纹问题和半方孔裂纹问题与单边裂纹问题的应力强度因子的比较,发现半圆孔和半方孔对单边裂纹有屏蔽影响。此外,本文的研究结果表明,杂交位移不连续法用于分析平面弹性有限体中复杂裂纹问题的应力强度因子简单且又准确。