冲击载荷作用下黑砂岩动态断裂参数的分形修正

基于分形理论研究了偏折裂纹扩展路径对动载荷作用下黑砂岩的动态断裂力学参数的测试误差影响作用,采用传统的分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）实验装置对修正侧开单裂纹半孔板（improved single cleavage semi-circle specimen, ISCSC）试样进行动态冲击实验,随后采用裂纹扩展计进行裂纹起裂时间与裂纹扩展速度等动态断裂力学参数测试,采用分形理论对测试的裂纹扩展速度与动态应力强度因子进行修正,利用实验-数值法对黑砂岩的动态断裂韧度进行计算。研究结果表明,ISCSC构型构件能够有效应用于岩石材料动态裂纹扩展行为的研究,并发生了止裂现象,经分形修正的裂纹扩展速度与动态断裂韧度更接近实际裂纹动态扩展情况,修正前后得到黑砂岩材料的裂纹扩展速度误差为33.51%,动态断裂韧度最大误差为7.68%,说明利用分形理论对动态断裂韧度等动态断裂参数计算更合理。

     

动荷载下岩石裂纹动态扩展行为实验研究综述

岩石的动态裂纹扩展特性在岩石力学和岩石工程研究中具有重要意义。动荷载下岩石中裂纹的扩展行为是瞬间发生的,这对实验中测试和加载技术具有很大的挑战性。为综述动荷载下岩石材料裂纹扩展研究取得的丰硕成果,总结了岩石动态裂纹扩展测试技术、实验设备和实验方法等方面的最新进展。首先,讨论了动态岩石裂纹扩展测试的各种测量技术（X射线计算机断层扫描技术、焦散线法、数字图像相关法、裂纹扩展计、导电碳膜测试方法、声发射）;然后,以应变率为主线,从低到高依次总结了中低应变率、高应变率和超高应变率下岩石内裂纹动态扩展行为研究,系统讨论了落锤冲击装置、霍普金森压杆、爆炸实验中对裂纹扩展测试的实验方法和动态裂纹扩展特性,总结了不同应变率条件下岩石裂纹的起裂、扩展、止裂及动态断裂韧度等的演变规律。     

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。     

含节理岩体爆生裂纹扩展的动焦散模型实验研究

应用动态焦散线测试系统,模拟含节理岩体断裂爆破过程,进行了PMMA模型透射式动态焦散线实验,着重研究了爆炸初始裂纹与节理面不同夹角的情况下,裂纹尖端动态应力强度因子的变化规律,裂纹穿过节理面的扩展规律,以及裂纹扩展速度的变化规律。实验结果分析表明,爆生裂纹穿过节理面时,裂纹尖端的动态应力强度因子和裂纹扩展速度显著下降,穿过节理面后,应力强度因子又有所增强;裂纹穿过节理面时,裂纹会沿节理面偏离一段距离后沿初始裂纹方向继续扩展。研究结果可以为节理岩体的断裂爆破提供理论依据。     

用CSTBD试样确定砂岩的动态起裂和扩展韧度

利用大直径霍普金森压杆径向冲击中心直裂纹巴西圆盘(CSTBD)砂岩试样,完成Ⅰ型动态断裂实验。利用实验-数值方法确定了不同动态加载率下砂岩的动态起裂韧度;结合实验-数值法以及普适函数确定了不同裂纹扩展速度下砂岩的动态扩展韧度。为验证普适函数法和实验-数值法的有效性,将实验所得结果与其他学者的研究成果进行了对比分析,得到了相同的规律。所确定的岩石动态起裂韧度和动态扩展韧度分别随动态加载率的提高和裂纹扩展速度的提高而增加。     

两种正交异性材料界面上裂纹冲击后的动态响应

本文研究了两种不同正交异性材料界面半无限长裂纹，在冲击荷载下的动态弹塑性响应。通过积分变换，Ｗｉｅｎｅｒ－Ｈｏｐｆ方法和Ｃａｇｎｉａｒｄ－ｄｅＨｏｏｐ反演围通技术，求得一般解析解，获得了该裂纹的动应力强度因子；通过采用Ｄｕｇｄａｌｅ模型，建立了裂纹尖端塑性区延伸速度与裂纹扩展速度的关系，以及动态ＣＯＤ与裂纹扩展速度的关系。     

爆炸载荷下板条边界斜裂纹的动态扩展行为

为了研究爆炸应力波作用下板条边界斜裂纹的动态扩展行为,首先分析了爆炸应力波在含边界斜裂纹板条中的传播,其次采用动态焦散线实验方法,进行了爆炸载荷下板条边界斜裂纹扩展规律的实验研究.研究结果表明,爆炸应力波作用下,板条试件边界斜裂纹的扩展过程中,裂纹扩展速度、扩展加速度和裂尖动态应力强度因子随时间波动变化,扩展速度最大值...     

冲击加载下巷道内裂纹的扩展特性及破坏行为

为了开展含预制裂纹的巷道模型试样在冲击载荷下的动态断裂响应实验,选用青砂岩作为模型材料制作巷道模型试样,以可调速落锤冲击实验机作为冲击加载装置进行试样的动态断裂实验,分析冲击载荷作用下的巷道内裂纹的扩展规律。采用裂纹扩展计及应变片测试系统监测裂纹的起裂时间、扩展速度及止裂时间,并借助于AUTODYN、ABAQUS有限元数值分析软件对实验模型进行数值模拟,计算裂纹的动态起裂韧度、动态扩展韧度、动态止裂韧度等断裂参数。结果表明:巷道内裂纹在扩展路径过程中存在着明显的止裂现象;采用实验-数值方法能够较好地得出裂纹的起裂韧度、扩展韧度和止裂韧度等参数。另外,对止裂现象进行了初步的分析,讨论了试样内应力反射波与透射波对止裂问题的影响。     

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。     

节理岩体爆生裂纹扩展动态焦散线模型实验研究

应用动态焦散线测试系统,模拟含节理岩体断裂爆破过程,进行了PMMA模型透射式动态焦散线实验,着重研究了爆炸初始裂纹与节理面夹角不同的情况下,裂纹尖端动态强度因子的变化规律、裂纹穿过节理面的扩展规律、以及炮孔与节理距离不同时裂纹穿过节理扩展的规律。实验结果分析表明,爆生裂纹穿过节理面时,裂纹尖端的动态强度因子和裂纹扩展速度显著下降,穿过节理面后,强度因子又增强;裂纹穿过节理面时,裂纹会沿节理面偏离一段距离后沿原方向继续扩展。实验结果还表明,炮孔与节理间距适宜的情况下,裂纹才会穿过节理继续扩展,间距太小和过大都不利于裂纹的扩展。     

致密砂岩巷道模型试件动态起裂及止裂全过程分析

为了开展在不同冲击载荷作用下巷道围岩内裂纹的起裂、扩展及止裂等问题,以可调速冲击试验机进行动态加载试验,采用致密青砂岩制作裂纹巷道模型试件,并利用裂纹扩展计分别记录了动态起裂、扩展、止裂等时刻,对裂纹扩展速度的变化规律进行分析;随后采用AUTODYN有限差分法软件进行相应的数值模拟,数值模拟得到的裂纹扩展路径与试验结果基本一致。经过两者对比分析可知:随着冲击载荷作用的增加,裂纹平均扩展速度逐渐增大,随后趋于稳定值;预制裂纹的起裂时间随着冲击速度载荷的增加而逐渐降低,并在稳定值上下波动;随着冲击速度载荷的增加,裂纹扩展路径过程中的止裂时段逐渐变短。     

分子动力学模拟含不同初始缺陷单晶镍的断裂行为与应力演化

断裂是一个跨尺度复杂的物理过程,对宏观尺度的断裂行为已有深入的研究和发展,然而对微观尺度的断裂行为及断裂过程中应力场的变化缺乏深入的理解。本文通过分子动力学模拟,研究了具有不同初始缺陷(尖锐裂纹、钝裂纹和孔洞)的单晶镍的断裂行为和应力分布特征。结果表明,不同的初始缺陷导致了不同的断裂机制、断裂强度和抗断裂性能。含初始孔洞的单晶镍样品有最高的断裂强度和最强的抗断裂性能,这与孔洞扩展过程中堆积层错的形成密切相关。其次是含初始钝裂纹的样品,在裂纹扩展过程中出现由[100]超位错发射引起的裂尖钝化;含尖锐裂纹的样品表现为脆性断裂,裂尖原子没有出现微结构的变化,其强度和抗断裂性能最低。此外,不同的初始缺陷也会导致断裂过程中应力分布的变化,对含有尖锐裂纹的脆性断裂试样,高应力(拉伸应力、平均应力和米塞斯应力)总是出现在扩展裂纹的裂尖。而对于含有钝裂纹或孔洞的韧性断裂试样,高应力不仅分布在裂尖,也分布在位错发射和堆积层错形成的区域,在裂纹/孔洞扩展之前,应力随着加载时间的增加而迅速增加,而一旦裂纹或孔洞开始扩展,应力增加非常缓慢或几乎不增加,但拉伸应力值始终大于平均应力和米塞斯应力值。这表明,在I型...     

Influence of softening on fracture propagation in large-scale shell structures

In this study, fracture propagation in large shell elements is modelled with the softening law. This law is given in a general form, enabling investigations of different softening behaviours to be conducted. The final fracture is simulated by removing elements. The softening parameters are derived using the energy-based representative volume element (RVE) approach. Tracing crack propagation through the RVE defines the physically justified softening parameters for the current model. The softening model is implemented into ABAQUS using VUMAT subroutines for the shell elements. A large-scale tearing experiment is simulated with the current model and RVE-based softening parameters. In addition, the softening laws from the literature have been used. The fracture propagation is assessed in terms of plastic energy dissipation in the RVE and the whole structure, load–displacement, and crack growth. The RVE-based model is shown to have better performance compared with other models from the literature.     

基于GMTS准则的岩石复合型断裂机理研究

使用国际岩石力学协会规定的半圆盘岩石试件,加工不同倾角的直裂纹试样,通过三点弯曲加载试验得到不同I-II复合比断裂的断裂韧性和初始断裂角．传统裂纹扩展准则忽视了常数项即T应力及更高阶项的影响,导致该扩展准则的理论预测结果存在较大缺陷,本文通过考虑常数项,建立广义最大周向应力准则(GMTS)．在此基础上,分别采用传统的裂纹扩展准则和考虑T应力的裂纹扩展准则预测不同复合比裂纹的断裂韧性和初始扩展角,然后对比理论预测结果和实验结果．分析可得：常数项即T应力对断裂的临界应力强度因子和初始断裂角的影响是不可忽略的,且II型断裂占比较大时影响更大,广义最大周向应力准则预测值与实验测试结果之间的误差最小．     

含层理页岩气藏水力压裂裂纹扩展规律解析分析

页岩气蕴藏在页岩层中,页岩层的层理性构造使其水力压裂裂纹扩展与常规均质储层不同.为研究页岩储层水力压裂的裂纹扩展规律,基于复变函数保角变换,得出裂纹尖端应力集中解,考虑页岩非均质、强度各向异性特点,通过比较裂纹沿各方向扩展所需的裂缝尖端水压力,推导出水力压裂裂纹垂直于最小地应力方向稳定扩展过程中在斜交层理后的扩展判据.分别定义了水力压裂裂纹在层理处起裂和沿层理扩展的弱层和岩石基体临界强度比,根据两个临界强度比确定水力压裂裂纹遇层理时在层理处起裂和沿层理扩展的层理弱面强度范围,以此表示水力压裂裂纹转向层理扩展的难易程度.通过对裂纹扩展判据的分析得出:层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角和层理倾角的减小以及第三主应力和岩石基体强度的增大而增大;层理走向角小于35.26°时,层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而增大;反之,层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而减小;层理扩展弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角、层理倾角和地应力差的减小以及岩石基体抗拉强度的增大而增大.层理起裂条件与层理扩展条件同时满足时,水力压裂裂纹转向层理方向扩展.      

白桦材断裂韧度的各向异性性质

木材可视为正交各向异性材料，表征木材抵抗裂纹扩展能力的断裂韧度硒。是木材的基本力学性质之一，它具有明显的各向异性．对白桦材试样断裂韧度硒。测试结果表明，LT试样的断裂韧度明显高于TL，TR试样的断裂韧度，TL和TR试样的断裂韧度相接近．无论哪种试样类型，起裂均发生在裂纹尖端．TL，TR试样裂纹扩展方向与原裂纹初始方向一致，LT试样与前两不同，裂纹沿着几乎平行于纤维的方向扩展．并且含水率对各个方向木材断裂韧度的影响趋势是一致的．     

含中心裂纹梯度纳晶金属的数值模拟

梯度纳晶金属由于其微观组织的梯度分布,力学属性也呈现梯度变化,这使得其表现出不同于传统均匀材料的断裂行为．利用材料力学参数的梯度分布来表征梯度纳晶金属中晶粒尺寸的梯度变化,并编写ABAQUS和MATLAB脚本程序建立分层有限元模型．通过数值模拟计算了含有初始中心裂纹的梯度纳晶金属在受远端均匀拉应力作用下的裂尖J积分,分别研究了屈服应力梯度、裂纹角度和裂纹长度对金属材料断裂韧性的影响,并与传统粗晶进行了对比．结果表明梯度纳米结构的存在导致梯度纳晶金属内部的中心裂纹两端表现出不同的断裂韧性,小晶粒一侧裂尖的抗裂韧性优于大晶粒一侧裂尖,且屈服应力梯度绝对值越大,两者差距越大．梯度纳晶金属的断裂韧性受中心裂纹角度和长度变化的影响与传统粗晶金属基本一致,同时在晶粒尺寸梯度的作用下梯度纳晶的裂尖J积分略低于粗晶,即整体上拥有更好的抗裂韧性．     

岩石劈裂破坏过程的计算模拟

岩体的破坏主要是岩体中裂纹的扩展与贯通的结果.受压岩体的裂纹尖端,可能处于压剪状态,也可能处于拉剪状态.从断裂力学的角度,研究了地下工程围岩中的裂纹在各种受力条件下(包括拉剪、压剪两种情况)的起裂、扩展及贯通以至最终形成劈裂裂缝的特征及各个阶段的判据.针对压剪断裂,裂纹之间存在有粘结力与摩擦强度的特征,提出了岩石压剪断裂性判据.最后以受压岩体中的斜裂纹扩展过程分析为例,模拟了岩体中裂纹逐渐发展成劈裂破坏的过程,并说明了各个阶段的计算方法.     

Optimization formulation of the evolutionary problem of crack propagation under quasibrittle fracture

For the evolutionary problem describing crack propagation in a solid with allowance for the irreversible work of plastic deformation due to the crack propagation, a general optimization formulation is proposed and investigated. For the optimum crack, data on the H²-smoothnesses of the displacement field in the solid and, hence, on the finiteness of the stress at the crack tip, are obtained. The solvability of the optimization problem (i.e., the existence of an optimum crack) is proved for a curvilinear crack propagation path specified a priori. For the particular case of a straight path, a generalized criterion of crack growth is proposed. The question of the choice of a crack propagation path is discussed and a comparison with existing fracture criteria is made. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 47, No. 5, pp. 107–118, September–October, 2006.     

螺杆钻具传动轴接头表面裂纹断裂性能研究

以螺杆钻具的作业载荷为依据,对传动轴上端接头螺纹进行断裂性能研究。首先,通过强度分析,确定接头螺纹易发生断裂的危险位置;然后,考虑材料的弹塑性以及螺纹升角,建立螺纹根部含横向半椭圆表面裂纹的外螺纹接头和相啮合水帽的有限元模型,定量评价弹塑性和螺纹升角对接头断裂性能的影响。结果表明,材料塑性变形和螺纹升角对裂纹前缘J积分的影响较大,忽略这两个因素得到的结果偏于不安全。最后,利用所建立的弹塑性有限元模型,对于上扣预紧力单独作用以及上扣预紧力和工作扭矩共同作用的两种载荷条件,得到螺纹根部裂纹前缘的临界形状比及其对应的量纲为一的J积分随裂纹扩展的变化,为进一步研究螺杆钻具传动轴接头螺纹的疲劳寿命提供依据。