论裂纹扩展过程中的流变与耗散现象

根据裂纹扩展过程中的流变与耗散现象,建立了裂纹扩展过程中裂纹体的热力学平衡方程。从而我们把裂纹扩展问题转化为一个含质量流源的扩散运动问题,并应用内部体力场论研究了裂纹扩展力。引入外部热汇后,我们将能量耗散问题转化为一个热传导问题。在此基础上,提出变质量断裂模型理论,并实验验证了裂尖塑性流变区存在有质量流及相应的非均匀温度场。令Clausius非补偿热为非负值,建立了裂纹扩展过程的广义熵不等式。应用算子分解定理引入耗散势函数,再依据广义Onsager互易原理,我们将广义熵不等式化为某一泛函的可积微分不等式,从而得到它的完全解。最后,给出流变性材料的严格非局部本构关系,并借助Lyapounov型的流变记忆泛函来描述裂纹扩展的全过程。据此,我们将裂纹扩展全过程分成三个阶段,即孕育期、稳定扩展期和失稳扩展期。再根据非平衡态热力学稳定性建立起起裂判据、裂纹扩展的稳定和失稳判据,并指明了裂纹扩展的方向。结果表明,仅当对称性破坏时,才能出现失稳扩展。因此,本文为流变断裂学提供了一个理论基础。      

岩石张拉与剪切断裂的比较

本文探讨了岩石Ⅱ型裂纹剪切断裂韧性的测试方法，并把结果与１型断裂及Ⅱ型裂纹和Ⅰ型扩展的断裂韧性、厚度效应及断裂机理等方面之间的差异进行了比较讨论。     

考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测研究

微动疲劳是矿井提升钢丝绳主要失效形式之一,在钢丝微动疲劳过程中,微动磨损严重影响钢丝微动疲劳裂纹扩展特性,进而制约钢丝微动疲劳断裂机制,故开展考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测研究至关重要. 运用自制钢丝微动疲劳试验机开展钢丝微动疲劳试验和拉伸断裂试验,通过高速度数码显微系统揭示微动疲劳过程中钢丝微动磨损演化、裂纹萌生和扩展及断裂特性,基于摩擦学和断裂力学理论,运用有限元法、循环迭代法和虚拟裂纹闭合技术建立了考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测模型,并进行试验验证. 结果表明:采用微动疲劳过程稳定阶段磨损系数预测钢丝微动磨损演化可保证预测正确性,微动疲劳过程中钢丝主要为I型裂纹扩展模式,考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测值和试验值吻合较好,验证了预测模型正确性.      

非共面双裂纹扩展相互作用的试验及模拟

对非共面双裂纹进行了疲劳试验,分析认为其裂纹扩展属于三型复合型裂纹;建立了双裂纹结构有限元模型,通过计算裂纹前端应力强度因子并结合复合型裂纹的扩展特性及断裂准则,对裂纹相对尺寸、相对位置对其扩展的影响以进行了研究。结果表明:当偏移距离与较长裂纹尺寸的比值大于较短裂纹尺寸与较长裂纹尺寸的比值时,裂纹间相互作用较小,对疲劳寿命几乎没有影响;反之裂纹间相互作用较大,将会减少疲劳寿命。     

汽轮机转子材料的蠕变损伤与抗裂特性研究

本文对汽轮机转子材料进行了蠕变断裂的试验研究。探讨了30Cr_2MoV材料在工作温度下的蠕变损伤及裂纹的启裂和高温断裂韧性特性.用直流电位法检测了裂纹的扩展量,并分析了各断裂参数和蠕变裂纹扩展速率的关系.     

应用内聚力模型研究人牙本质裂纹扩展的升阻能力

论文采用断裂力学中的内聚力模型,结合有限元法研究裂纹沿牙本质小管和垂直于牙本质小管扩展的断裂韧度.数值模拟结果表明牙本质的断裂韧度随着裂纹扩展而增大,表现出上升的阻力曲线(R-curve)特性,但裂纹沿牙本质小管扩展的断裂韧度要大于裂纹垂直于牙本质小管扩展的断裂韧度,表现出各向异性的裂纹扩展阻力曲线性质.同时论文的研究...     

两相材料界面裂纹的起裂方向及断裂参量研究

采用FRANC2D软件研究了两相材料含界面裂纹的断裂特性。通过在材料界面利用CASCA手动生成界面裂纹并在裂纹尖端附近设置1/4奇异等参元,得到了界面裂纹的复应力强度因子;数值模拟得到了界面裂纹的起裂方向,并分析了界面裂纹的破坏特征。计算结果表明:1/4奇异等参元很好地描述了裂纹尖端场的1/r(1/2)奇异性,FRANC2D软件能够模拟界面裂纹的扩展方向,可以得到界面裂纹尖端的应力场和复应力强度因子,为界面裂纹的断裂特性的进一步分析提供依据。     

热激活断裂统计理论

本文研究了原子键机理与宏观特性相结合的热激活断裂非平衡统计理论,统一导出了微裂纹分布函数、断裂几率、可靠性、断裂寿命分布函数和平均断裂寿命。     

板试样Ⅲ型裂纹长度的计算

本文设计Ⅲ型裂纹断裂及扩展速率的试验装置，测量了Ⅲ型裂纹试样在不同裂纹长度下的裂纹边缘滑开位移，给出了裂纹滑开位移与裂纹长度的显式柔度公式．     

三点弯曲型试件Ⅰ/Ⅱ复合型断裂的数值与实验研究

三点弯曲试件常被用来研究材料的纯Ⅰ型及Ⅰ/Ⅱ复合型断裂性能。使用Abaqus软件通过有限元法获得三点弯曲试件不同跨长比2S/L、相对裂纹长度a和裂纹倾角β下的Ⅰ型与Ⅱ型无量纲应力强度因子。由有限元结果可知,在相对裂纹长度一定时,跨长比越小,裂纹倾角越小,Ⅰ型无量纲应力强度因子可取得0,即越容易得到纯Ⅱ型断裂。当跨长比相同时,相对裂纹长度越大越容易得到纯Ⅱ型断裂。使用6组共24个三点弯曲试件,研究砂岩的纯Ⅰ型、纯Ⅱ型以及复合型加载时的断裂韧度,得到该种砂岩的纯Ⅰ型断裂韧度为0.786MPa·m0.5,纯Ⅱ型断裂韧度为0.344MPa·m0.5。实验结果与最大周向应力(MTS)准则和广义最大周向应力(GMTS)准则的预测结果进行对比,比较结果显示GMTS准则更能准确地预测实验结果。     

Creep fracture of sandstones

Creep is one of the important properties of rocks and rock masses. But the mechanism and characteristic of rocks in creep has not received the attention it deserves. Sandstones mined from Emei Mountain are investigated and tested by utilizing the three-point bending creep fracture test. A mathematical relation between stress intensity factors and durations of sustained loading for the above specimen is obtained based on the gray prediction theory. The obtained results provide a better understanding of rock fracture under creep.     

岩石蠕变断裂特性的试验研究

以一类红砂岩为例对蠕变条件下岩石裂纹的起裂和扩展的机理、准则进行了试验研究和理论分析．试验结果表明，岩石裂纹常常在初始应力强度因子KI小于断裂韧度KIC的情况下，经过一段时间的持续蠕变变形产生裂纹起裂和扩展．当然，初始应力强度因子KI小于断裂韧度KIC是有限度的，KI不得小于另一固定值KIC2，KIC2表征了岩石在蠕变条件下抵抗裂纹起裂和扩展的能力，而且其值小于KIC，可称之为蠕变断裂韧度．在岩石工程的设计和计算中，KIC2是一个重要参数．     

动力损伤后的脆性岩石静力蠕变断裂模型研究

应力波动力扰动下脆性岩石的静力蠕变特性,对深部地下工程围岩变形的评价有重要的实践意义.动力载荷作用导致的局部细观裂纹损伤严重影响脆性岩石蠕变力学行为.基于细观裂纹扩展与应力关系模型、动力扰动损伤演化函数、静动力载荷演化路径函数与黏弹性本构模型,提出一种应力波动力扰动下脆性岩石蠕变断裂特性的宏细观力学模型.其中动力损伤通过控制岩石内部细观裂纹数量变化实现.模型描述了应力波动力扰动下岩石的应变时间演化曲线,解释了岩石动力扰动下蠕变失效特性.研究了不同应力波幅值及周期影响下的脆性岩石应变-时间关系曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性.讨论了动力损伤变化形式,突变发生时刻,突变量的大小对岩石蠕变失效特性的影响.分析了应力波幅值、周期对岩石动态动力损伤效应以及蠕变失效特性的影响.主要研究结果:动力损伤的变化值越大,岩石蠕变失效发生时间越短.冲击载荷扰动期间,动力损伤发生的时刻及增加的形式,对动力扰动后的岩石应变及蠕变破坏时间影响很小.动力损伤变化量随应力波幅值增加、周期减小而加速增大.应力波幅值越大、周期越小,岩石发生蠕变失效时间越短.     

不同应力差下非线性蠕变研究

深部工程处于复杂的环境场(应力场、温度场和渗流场)之中,引起的地下工程围岩流变破坏事故屡见不鲜。本文通过三轴蠕变实验,根据岩体流变力学和蠕变原理对影响深部岩体蠕变的因素进行了研究。用实验数据进行数值计算,得出了深部软岩巷道围岩在高地应力作用下的非线性蠕变模型,建立了应力差-时间-蠕变的定量关系,利用MATLAB软件得到了不同情况下的蠕变-时间曲线;应力差-时间-蠕变曲面。从而验证了非线性流变理论,找到了引起蠕变的主要因素应力差。并利用应力差理论分析了深部巷道围岩的蠕变破坏机理。     

一种新的岩石非线性损伤蠕变模型

为描述岩石加速蠕变阶段的非线性变形规律,在广义开尔文体基础上串联一个村山体,基于Kachanov损伤率理论,建立了损伤变量D与蠕变时间的函数关系,并根据Lemaitre应变等效原理将村山体中的无损模型参数p用有效模型参数p(1-D)代替,以此来表征岩石加速蠕变阶段的非线性,建立了一种新的非线性损伤蠕变模型;根据广义塑性力学理论给出了该模型的三维蠕变方程;采用Levenberg-Marquardt非线性优化最小二乘法对红砂岩和绿片岩常规三轴压缩蠕变试验数据进行拟合,反演得到这两种岩石的蠕变模型参数。拟合结果表明:拟合曲线与试验曲线的拟合相关系数R2分别为0.999和0.992,说明该蠕变模型能较好地反映这两种岩石各阶段的蠕变曲线特征。     

龙滩水电站蠕变体B区折断面及折断错滑面成因分 析

通过对广西龙滩水电站左岸边坡蠕变体B区折断面和折断错滑面地质特征,变形特征,滑带充填物特征以及力学参数研究,结合监测,岩体风化以及构造特征、表层岩土体滑移-牵引等特征分析,认为折断面和折断错滑面的形成主要是由于边坡岩性以及河水侵蚀等作用下,岩体的风化差异所造成的,而且在目前有效的工程处理下,由监测资料可知,边坡变形波动较大,变形量值小,没有明显的滑移趋势,稳定性较可靠。     

一种新的岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

为了克服传统元件组合模型不能描述岩石蠕变过程中非线性特征的缺陷，首先根据加速蠕变阶段的应变和应变率随蠕变时间急剧增大的特点，建立黏塑性应变与蠕变时间的指数函数关系并提出非线性黏塑性体．将该非线性黏塑性体与广义Burgers蠕变模型串联，建立可以描述岩石全蠕变过程的非线性黏弹塑性蠕变模型，根据叠加原理得到一维应力状态下的轴向蠕变方程．然后基于塑性力学理论指出岩石三维蠕变本构方程建立过程中的不足之处，并给出非线性黏弹塑性蠕变模型合理的三维蠕变方程．最后采用不同应力水平下砂岩轴向蠕变试验对模型合理性进行验证，结果表明：拟合曲线与试验曲线吻合度较高，所建蠕变模型能够很好地描述砂岩在不同应力水平下的蠕变变形规律，尤其对加速蠕变阶段的非线性特征描述效果很好，验证了模型的合理性．     

基于Weibull分布的盐岩分数阶蠕变本构模型研究

采用流变程控仪对湖北江汉油田盐岩试样进行了三轴蠕变实验。基于Weibull随机分布获得岩石损伤变量随加载时间的变化形式,构建了变黏性系数Abel粘壶本构关系。基于分数阶微分理论,采用将变黏性系数Abel粘壶替代西原正夫模型中Newton粘壶的方法,建立了盐岩蠕变损伤本构模型,并采用最小二乘法拟合获得了该本构模型中的参数。通过拟合曲线对比发现,本文提出的盐岩分数阶蠕变本构模型在描述盐岩的蠕变全过程,尤其是加速蠕变过程中具有较明显的优势,并且验证了西元正夫模型为本文所提出的本构模型的一个特例。     

Application of kinetic theory to the analysis of high-temperature creep rupture of metals under complex stress (review)

This paper gives an analytical review of the results obtained using the kinetic theory of creep and creep rupture to analyze the creep rupture of metals under complex stress. Special note is made of the outstanding contribution of Soviet scientists L. M. Kachanov and Yu. N. Rabotnov, who introduced the concept of material damage and developed the fundamentals of the kinetic theory. Different versions of this theory are used in studies of Russian and foreign scientists. The possibility of applying the kinetic theory to model the deformation and fracture of metals under creep conditions using scalar, vector, and tensor damage parameters and their combinations is considered.     

考虑水化学损伤的岩石真三轴蠕变本构模型

为了准确描述岩石在酸性环境下真三轴蠕变行为的各阶段特征,基于水岩作用的化学动力学理论,定义了考虑PH值与时间的化学损伤因子,将弹性体,非线性Kelvin体,线性Kelvin体和黏弹塑性体进行串联,并考虑岩石在真三轴应力作用下的实际情况,建立岩石酸腐与真三轴应力耦合作用下的损伤蠕变本构模型,通过已有的蠕变试验数据对该模型进行参数辨识与验证,并通过数据拟合得到岩石在真三轴应力下的屈服面方程,探讨中间主应力对蠕变模型的影响.结果表明,推导的本构模型能很好地描述岩石在酸腐作用下真三轴蠕变行为的各阶段特性,验证了其合理性与准确性.