岩体力学中流变与断裂的耦合作用

本文首先分析含Ｉ型裂纹岩石的流变断裂特性，提出了Ⅰ型裂纹流变断裂初度的三个阈值；然后应用断裂力学和粘塑性理论。得出了具有屈服、蠕变和Ⅱ型裂纹扩展等物理力学特性的岩体隧洞的衬砌与围岩应力的解析表达式。     

广义平均形状改变能密度断裂准则及应用

基于形状改变能为材料起裂扩展控制参量的物理事实及裂纹尖端断裂控制区能量平均概念,提出了计及裂纹尖端应力场特征级数展开奇异项和常数项的广义平均形状改变能密度(GADSED)准则,建立了Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ混合型裂纹断裂判据计算式,为工程结构疲劳断裂评估提供了新选择.基于提出的GADSED准则,系统分析了T应力对裂纹断裂判据的影响,结果表明:当参数|Bα|数值相同时:负值T应力的Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹更易起裂扩展,正值T应力的K_Ⅰf值高于负值T应力的K_Ⅰf值,正负T应力的K_Ⅱf值相同;T应力在区间0Ⅰf值(3%以内),T应力降低了K_Ⅱf值.根据GADSED准则完成了双轴疲劳载荷平板表面Ⅰ型裂纹扩展寿命预报,结果表明:基于GADSED准则的裂纹扩展寿命预报值约为传统方法预报值的40.7%,可为工程实际评估提供借鉴.     

岩石偏心圆孔单裂纹平台圆盘的动态裂纹扩展与止裂

针对平台圆环构型的优点, 提出偏心圆孔单裂纹平台圆盘(cracked eccentrically holed flattened disc, CEHFD), 该试样具有更长的断裂路径。利用霍普金森压杆加载系统, 径向冲击CEHFD试样, 完成Ⅰ型动态断裂实验。砂岩试样表面粘贴应变片和裂纹扩展计, 用于监测裂纹动态起裂、扩展和止裂的全过程。实验表明, 在整个断裂过程中, 裂纹非匀速扩展, 裂纹扩展速度在裂纹起裂后加速上升, 在裂纹止裂前有明显的减速, 与地震时断层的动态破裂全过程完全吻合。采用实验-数值-解析法得到动态应力强度因子, 其时间历程呈现先增大后减小的趋势。根据断裂过程不同时刻, 得到相应的动态起裂韧度、扩展韧度及止裂韧度。在动态断裂全过程中, 动态扩展韧度为速度的函数, 变化趋势与速度一致, 随着时间先增大后减小; 动态起裂韧度大于动态止裂韧度, 止裂韧度随着裂纹最大扩展速度的增大而降低, 并且有较大的离散性。

     

含中心裂纹铝合金薄板裂纹稳态扩展的实验研究

一、引言对于韧性材料的含裂纹构件,通常是在大范围屈服情况下断裂的,所以必须建立弹塑性断裂理论来进行研究。用J积分判据J_(1c)或临界裂纹顶端张开位移δ_(cr)来衡量韧性材料的断裂韧性,在工程上具有实用意义。但是J_(1c)和δ_(cr)都是用来确定裂纹的初始起裂,而起裂后的裂纹稳态扩展现象很重要,特别对于硬化材料的金属薄壁构件更为明显,在裂纹缓慢稳态扩展的过程中,必须继续增加载荷,直到裂纹失稳扩展,因此要合理地确定含裂纹薄壁结构的承载能力,就需要研究裂纹稳态扩展过程。Feddersen在研究平面应力断裂问题中,用铝合金中心裂纹板试件做了大量实验,对工程设计提供了有用的分析方法,但是对于裂纹的稳态扩展过程只做了定性描述,没     

厚度与加载速率对铁素体钢断裂韧性影响的SP压杆法实验研究

采用SP压杆实验方法,在常温下研究小圆薄片断裂韧性的厚度效应及加载速率对断裂特性的影响.实验结果表明,随着厚度的增加,断裂变形能增加,断裂部分的外表面因双向应力状态表现出微突起,微突起四周存在微小裂纹;随着加载速度的增加,断裂变形能增加,剪切断裂表面表现出从密集韧窝到韧窝连接成片特征.考虑试件变形过程中不同部分的能量耗散,从SP试件的整体断裂变形能得到试件的断裂韧性的宏观表达,断裂韧性随着厚度的增加而增加,随着加载速度的增加而减少.采用临界塑性断裂应变作为裂纹起裂判据,单位面积的能量耗散率作为裂纹扩展和失效判据的断裂模型,用有限元方法对SP压杆实验进行模拟,得到与实验结果比较相符的模拟结果.     

Ⅰ－Ⅱ复合型韧性断裂研究进展

本文主要针对Ⅰ＋Ⅱ型裂纹问题,论述了这一领域近几十年研究工作的现状及最新进展．对该领域研究的趋向及存在的有关问题作了分析,讨论．指出：韧性材料在近Ⅰ型和近Ⅱ型时启裂及扩展的机理可能不同,目前所用的一些单参数判据要同时对两种不同机理作恰当描述有困难,可考虑采用双参数判据．同时,材料微结构及特征对断裂机理的影响也不可忽视     

四点剪切加载下混凝土裂纹扩展路径研究

混凝土在四点剪切加载条件下,断裂试件失稳基本上为Ⅱ型,随着裂纹的扩展,裂纹会出现分叉、偏斜,就存在断裂路径选择问题,当裂纹由水泥砂浆垂直入侵骨料时,裂纹可能穿过骨料扩展或绕过骨料沿界面扩展该文建立了四点剪切加载条件下,裂纹扩展路径选择模型,并以实验进行验证.     

Ⅰ－Ⅱ复合型韧性断裂研究进展

本文主要针对Ⅰ＋Ⅱ型裂纹问题，论述了这一领域近几十年研究工作的现状及最新进展．对该领域研究的趋向及存在的有关问题作了分析，讨论．指出：韧性材料在近Ⅰ型和近Ⅱ型时启裂及扩展的机理可能不同，目前所用的一些单参数判据要同时对两种不同机理作恰当描述有困难，可考虑采用双参数判据．同时，材料微结构及特征对断裂机理的影响也不可忽视     

水力压裂中裂纹扩展的数值模拟

水力压裂是在高压粘滞流体或清水作用下地层内裂缝起裂与扩展的过程。由于包含岩石断裂和流-固耦合等复杂问题,对该过程的数值模拟具有相当大的挑战性。本文建立基于有限元与离散元混合方法的裂纹模型,模拟岩石裂纹扩展,实现了连续向非连续的转化;建立双重介质流动模型,裂隙流作为孔隙渗流的压力边界,孔隙渗流反作用裂隙的压力求解,处理了流体在基岩与人工裂缝中的协调流动;将裂纹模型与流体流动模式进行结合,建立断裂-应力-渗流耦合形式的力学模型,进一步分析了水力压裂的基本过程,综合多种数值计算方法,编写程序,在验证岩体裂纹模型与双重介质流动模型有效性的基础上,对压裂过程进行复现,将模拟结果与文献结果进行了对比,并讨论了所构建模型的优缺点。     

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。     

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.     

不同压电介质界面上的反平面运动裂纹

利用积分变换技术,得到不同压电介质界面上的平面运动裂纹问题的分析解。结果表明应力及电位移强度因子均与界面裂纹扩展速度及材料参数相关,这不同于均匀压电介质中运动裂纹的结论,当两种压电介质完全相同时,本文结果将退化为均匀压电介质中反平面运动裂纹问题的解。     

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．     

不同材料界面上受τ_0t~n型载荷作用的扩展裂纹问题

变量t的任意连续函数在任意闭域中都可以用多项式a_nt~m来一致的逼近,进而t的任意函数都可以表示为函数t_ot~n的线性叠加,利用复变函数理论,我们将在不同材料界面上受t_ot~n型载荷作用的扩展裂纹问题化为解析函数理论中的Keldysh-sedov混合问题,本文给出了这一问题的闭合解,并且这一解可以作为Green函数使用。     

岩石破裂与渗流耦合过程细观力学模型

从岩石细观非均匀性的特点出发,应用弹性损伤力学、Biot渗流力学理论,对岩石破裂过程渗流-应力-损伤耦合模型进行了描述.算例表明,该模型能较好的模拟出岩石材料在水压和载荷作用下裂纹扩展路径不规则发展及稳态、瞬态渗流过程,裂纹扩展对渗流路径和流动过程起到明显的控制作用.     

Dynamic stress intensity factor KⅢ and dynamic crack propagation characteristics of anisotropic materials

Based on the mechanics of anisotropic materials,the dynamic propagation problem of a mode Ⅲ crack in an infinite anisotropic body is investigated.Stress,strain and displacement around the crack tip are expressed as an analytical complex function,which can be represented in power series.Constant coefficients of series are determined by boundary conditions.Expressions of dynamic stress intensity factors for a mode Ⅲ crack are obtained.Components of dynamic stress,dynamic strain and dynamic displacement around the crack tip are derived.Crack propagation characteristics are represented by the mechanical properties of the anisotropic materials,i.e.,crack propagation velocity M and the parameter α.The faster the crack velocity is,the greater the maximums of stress components and dynamic displacement components around the crack tip are.In particular,the parameter α affects stress and dynamic displacement around the crack tip.     

压应力对压剪裂纹扩展的影响研究

本文针对压剪裂纹的启裂及扩展问题,研究了脆性材料中裂纹面压应力变化对其扩展的影响规律.借助双轴加载试验机可自由调节两个轴位移和力的优势,设计了一种单边对称双裂纹压剪试样.试验中,施加裂纹面压应力至不同的预设值后,使剪应力单调增大直至裂纹启裂及扩展,得到不同预设压应力下压剪裂纹启裂及扩展规律. 随着预设压应力增大,启裂角增大,裂纹扩展路径与初始裂纹的偏角也增大.但随着压应力增大,启裂角增大至一定值后趋于稳定,实验发现,依据裂纹是否闭合,压应力对压剪裂纹扩展的作用大致可分为两个阶段:闭合前,压应力对裂纹启裂载荷及启裂角、扩展路径均有影响,预设压应力增大,裂纹启裂载荷增大、启裂角增大,扩展路径愈来愈偏离初始裂纹方向;闭合后,压应力虽然增大,启裂角和临界压剪应力比始终恒定,压应力对临界剪力和扩展路径存在一定影响.研究表明,裂纹启裂角与启裂时的压剪应力比存在一定的对应关系.启裂时的压剪应力比增大,启裂角增大,启裂时的压剪应力比恒定,启裂角不变.      

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.     

内聚力模型裂纹问题分析的解析奇异单元

内聚力模型已经被广泛应用于需要考虑断裂过程区的裂纹问题当中,然而常用的数值方法应用于分析内聚力模型裂纹问题时还存在着一些不足,比如不能准确地给出断裂过程区的长度、需要网格加密等.为了克服这些缺点,论文构造了一个新型的解析奇异单元,并将之应用于基于内聚力模型的裂纹分析当中.首先将虚拟裂纹表面处的内聚力用拉格拉日插值的方法近似表示为多项式形式,而多项式表示的内聚力所对应的特解可以被解析地给出.然后利用一个简单地迭代分析,基于内聚力模型的裂纹问题就可以被模拟出来了.最后,给出二个数值算例来证明论文方法的有效性.     

大理岩非分叉断裂的随机分形模型

本文建立了大理岩沿晶、穿晶及沿晶穿晶偶合断裂的随机分形模型，该模型能与大理岩的整体晶态结构自洽，且模型的分维值与测量值有很好的吻合。