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．     

应用半权函数法计算界面裂纹的应力强度因子

应用半权函数法求解双材料界面裂纹的应力强度因子，得到以半权函数对参考位移与应力加权积分的形式表示的应力强度因子。针对特征值为复数λ的双材料界面裂纹裂尖应力和位移场，设置与之对应特征值为-λ的位移函数，即半权函数。半权函数的应力函数满足平衡方程，应力应变关系，界面的连续条件以及在裂纹面上面力为0；半权函数与裂纹体的几何尺寸无关，对边界条件没有要求。由功的互等定理得到应力强度因子KⅠ和KⅡ的积分形式表达式。本文计算了多种情况下界面裂纹应力强度因子的算例，与文献结果符合得很好。由于裂尖应力的振荡奇异性已经在积分中避免，只需考虑绕裂尖远场的任意路径上位移和应力，即使采用该路径上较粗糙的参考解也可以得到较精确的结果。     

平行于功能梯度材料夹层的币型裂纹起裂条件

分析了功能梯度材料中币型裂纹的扩展问题．裂纹平行于无限域中功能梯度材料夹层,受有与裂纹面成任意角度的拉应力．假定功能梯度材料夹层与两个半无限域均匀介质完全粘合,其弹性模量沿厚度方向变化．采用基于层状材料广义Kelvin基本解的边界元方法分析裂纹问题,给出了均布正应力和剪应力作用下裂纹的应力强度因子、将应力强度因子耦合于应变能密度断裂判据,讨论了裂纹体在拉伸应力作用下的起裂条件．     

I型裂纹尖端约束应力区模型及其解析解

考虑了I型裂纹尖端损伤区域内三种不同的约束应力分布形式,即右三角分布形式(情况A)、均匀分布形式(情况B)、左三角分布形式(情况C),并采用复变函数方法求得了应力强度因子与裂纹张开位移的解析解;在此基础上,通过数值计算得到了应力强度因子和裂纹张开位移随约束应力区长度、约束应力大小以及分布形式的变化规律。研究结果表明:随裂尖材料损伤程度的增加,裂尖损伤区内约束应力减小,应力强度因子和裂纹张开位移增大;约束应力的分布形式对应力强度因子和裂纹张开位移有显著影响;相对于其他区域,约束应力对裂纹尖端区域裂纹张开位移的影响较大。然而,对于裂尖损伤区域的形成与作用荷载、材料性质、构件几何尺寸之间的关系,还需要进行更为深入的研究。     

界面裂纹问题中的弹性T项和应力强度因子

研究两相材料有限板含单边界面裂纹的断裂力学特性，对不同的材料组合用广义变分法分析了不同尺寸试件和裂纹长度下的应力强度因子和弹性T项，讨论了材料特性对应力强度因子和弹性T项的作用．分析了试件尺寸和裂纹长度对应力强度因子和弹性T项的影响．     

估算裂纹应力强度因子的新方法

根据裂纹形状与裂纹尖端应力强度因子分布之间的固有关系，在线弹性断 裂力学条件下，提出了一种按已知I型裂纹应力强度因子分布规律求裂纹形状及相应应力强 度因子的无梯度迭代法. 通过有限厚度、有限宽度板穿透裂纹和表面裂纹的数值模拟实例验 证了所提出方法的有效性和实用性，并对不同应力强度因子分布规律对裂纹形状以及相应的 应力强度因子大小的影响进行了分析和讨论. 所提出的方法有助于提高实际扩展裂纹应 力强度因子的估算精度以及更合理地预测疲劳裂纹形状演化.     

层状磁电复合材料界面共线裂纹平面问题分析

本文研究了面内电磁势载荷作用下双层压电压磁复合材料中共线界面裂纹问题．考虑了压电材料的导磁性质和压磁材料的介电性质,引入了界面电位移和磁感强度的连续性条件．利用Fourier 变换得到一组第二类Cauchy 型奇异积分方程．进一步导出了相应问题的应力强度因子、电位移强度因子和磁感强度强度因子的表达式,给出了应力强度因子的数值结果．结果表明电磁载荷会导致界面裂纹尖端I、II 混合型应力奇异性,同时还伴随着电位移和磁感强度的奇异性．比较了双裂纹左右端的应力强度因子,发现在面内极化方向上施加面内磁势载荷时共线裂纹内侧尖端区域的两个法向应力场发生互相干涉增强．     

求解界面裂纹应力强度因子的围线积分法

本文基于Ｂｅｔｔｉ功互等定理和双材料界面裂纹辅助场，提出了一种求解界面裂纹应力强度因子的方法，即远场围线积分法。此方法与积分径的选择无关，用有元元法计算出远离裂纹尖端的位移场和应力场，应可通过计算绕裂尖围线的积分，精确地给出界面裂纹应力强度因子ＫＩ和ＫⅡ。     

各向异性双材料界面裂纹扩展裂尖场

应用界面断裂力学理论和Stroh方法,研究了广义平面变形下动态裂纹沿着各向异性双材料界面扩展时的裂尖奇异应力及动态应力强度因子.双材料界面的动态裂尖区域特性主要由两个实矩阵W和D确定,且裂尖奇异应力和动态应力强度因子可以由包含这两个矩阵的柯西奇异积分方程确定,同时给出了动态应力强度因子和能量释放率的显示表达式.算例得出当裂纹以小速度扩展时,裂尖振荡因子ε与静态时几乎相同,当界面裂纹扩展速度接近瑞利波速时,ε趋于无穷大;同时得出应力强度因子及能量释放率随裂纹扩展速度的变化关系.     

有限尺寸下双材料界面附近裂纹位置对裂纹尖端的影响

随着复合材料的应用和发展,不同材料组成的界面结构越来越受到人们的重视。界面层两侧材料的性能相异会引起材料界面端奇异性,同时界面和界面附近存在裂纹会引起裂尖处的应力奇异性。因此双材料界面附近的力学分析是比较复杂的。本文建立双材料直角界面模型,在材料界面附近预设初始裂纹,计算了有限材料尺寸对界面应力场及其附近裂纹应力强度因子的影响。运用弹性力学中的 Goursat 公式求得直角界面端在有限尺寸下的应力场以及其应力强度系数。通过叠加原理和格林函数法进一步得到在直角界面端附近的裂纹尖端应力强度因子。计算结果表明,在适当范围内改变材料内裂纹与界面之间的距离,界面附近裂纹尖端的应力强度因子随着裂纹与界面距离的增加而减少,并且逐渐趋于稳定。分析结果可以为预测双材料结构复合材料界面失效位置提供参考。     

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。针对二交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。     

类岩石材料中表面裂纹扩展模式的实验研究

采用粘贴式轴拉方法实现了类岩石材料的直接拉伸实验,通过在类岩石材料试件中预制表面裂纹研究了类岩石材料中表面裂纹的扩展模式.研究发现,粘贴式轴拉方法可以满足一般类岩石材料的直接拉伸实验;类岩石材料中表面裂纹首先从试件正面开始扩展;表面裂纹的存在极大地影响着材料的破坏模式,类岩石材料在试件的正面上会表现出明显的二维穿透性裂纹的扩展形态,但是受其影响裂纹在厚度方向扩展会发生偏转,从而使得试件背面的最终贯通方向没有与加载方向垂直,而是呈一倾角,并且和表面裂纹的倾角和深度有关.     

An experimental study on fracture mechanical behavior of rock-like materials containing two unparallel fissures under uniaxial compression

Strength and deformability characteristics of rock with pre-existing fissures are governed by cracking behavior. To further research the effects of pre-existing fissures on the mechanical properties and crack coalescence process, a series of uniaxial compression tests were carried out for rock-like material with two unparallel fissures.In the present study, cement, quartz sand, and water were used to fabricate a kind of brittle rock-like material cylindrical model specimen. The mechanical properties of rock-like material specimen used in this research were all in good agreement with the brittle rock materials. Two unparallel fissures(a horizontal fissure and an inclined fissure) were created by inserting steel during molding the model specimen.Then all the pre-fissured rock-like specimens were tested under uniaxial compression by a rock mechanics servocontrolled testing system. The peak strength and Young's modulus of pre-fissured specimen all first decreased and then increased when the fissure angle increased from 0?to 75?.In order to investigate the crack initiation, propagation and coalescence process, photographic monitoring was adopted to capture images during the entire deformation process.Moreover, acoustic emission(AE) monitoring technique was also used to obtain the AE evolution characteristic of prefissured specimen. The relationship between axial stress, AE events, and the crack coalescence process was set up: when a new crack was initiated or a crack coalescence occurred, thecorresponding axial stress dropped in the axial stress–time curve and a big AE event could be observed simultaneously.Finally, the mechanism of crack propagation under microscopic observation was discussed. These experimental results are expected to increase the understanding of the strength failure behavior and the cracking mechanism of rock containing unparallel fissures.     

压剪条件下预埋椭圆裂纹三维扩展实验研究

试制出两种不同性质的脆性类岩石材料：透明的低温树脂材料和非透明的砂浆类材料。实验研究了这两种材料内置椭圆形裂隙的三维始裂、扩展过程及其破裂过程中声发射信号特征,并采用三维断裂理论确定了内部裂纹的三维始裂状态。实验结果表明,在单轴压缩荷载作用下,两种材料中内置裂隙初期破裂面形态基本一致,均为一对反对称的包裹状翼裂纹,但初始起裂位置有所不同。透明树脂试样中,初始的新生裂纹几乎在预制裂纹长轴端部附近同时起裂,但起裂点并不在裂隙长轴端部,而在砂浆类材料内的起裂位置则靠近短轴端部,亦不在短轴端部。相同条件下,两种材料的最终破裂状态明显不同,透明树脂试样是以宏观劈拉破裂为主,而砂浆类试样则以宏观剪切破裂为主,这可能与材料性质和三维裂隙的起裂位置不同有关。三维断裂分析结果与实验结果一致。二维简化模型仅为三维模型的主法平面上的特征解,无法反映出III型断裂模式在三维裂隙的起裂和扩展中的作用。三维断裂机制分析应加强对III型断裂模式及其相关的复合模式的深入分析。     

含初始裂纹巴西圆盘劈裂问题的非局部近 场动力学建模

巴西圆盘劈裂是弹性力学及岩石力学与工程中的经典问题。在非局部键型近场动力 学理论的基础上,引入物质点对的转动自由度构建双参数微观弹脆性近场动力学本构力模型 以突破常规模型的应用范围限制,并考虑岩石混凝土类材料的宏观拉压异性和断裂特征。引 入动态松弛、粒子系统力边界条件和系统平衡弛豫等算法,实现了含不同倾角中心裂纹巴西 圆盘受压劈裂破坏全过程的近场动力学数值模拟,裂纹扩展路径及破坏形式均与试验结果高 度吻合,为裂纹扩展和断裂破坏问题的数值模拟提供了新的选择。     

混凝土复合型裂纹扩展的非局部近场动力学建模分析

基于非局部近场动力学理论,构建了修正的能反映混凝土宏观拉压异性和断裂特征的近场动力学本构模型,开发了相应的离散、加载和时间积分算法,实现典型混凝土构件中复合型裂纹扩展过程模拟。在物质点对尺度上定义局部损伤并考虑物质点对的相对转动,通过求解时空微-积分方程实现裂纹的自然萌生与扩展,避免裂尖不连续带来的求解奇异性、网格依赖性和网格重构以及常规近场动力学本构模型的泊松比限制。通过含单边和双边初始裂纹四点剪切混凝土梁裂纹扩展破坏全过程模拟,得到破坏形态、破坏荷载以及完整的荷载-裂纹开口滑移曲线,并与试验和其他数值模拟结果对比,验证了模型的精确性和算法的稳定性。     

陶瓷材料动态压缩损伤本构模型

运用细观损伤力学理论,从动态压缩载荷下陶瓷材料内翼型裂纹的产生和扩展的损伤机理出发,建立了陶瓷材料的弹脆性动态损伤本构模型,给出相应的损伤演化方程.假设裂纹成核满足Weibull分布,讨论了成核分布参数、原始缺陷尺寸对材料动态断裂应力、断裂应变的影响,并用动态损伤演化模型计算了冲击载荷下AD90陶瓷的动态应力应变曲线,计算结果和实验结果符合很好.     

Effect of crack position on stress intensity factor in particle-reinforced metal-matrix composites

In this study, a numerical model was developed to study the effects of mechanical properties of the particle and matrix materials, the crack position (in particle/in matrix) and loading conditions (mode 1 and mixed-mode) in particle-reinforced metal-matrix composites. The finite element technique was used to calculate the stress intensity factors for crack at and near-interface. The Displacement Correlation Method was used to calculate the stress intensity factors K₁ and K₂. In the present model, the particle and matrix materials were modeled in linear elastic conditions. The interface crack was considered between the particle and matrix, without the presence of the interface. For near-interface crack problem, two different crack positions (in particle/in matrix) were selected. The obtained results show the key role on the stress intensity factors played by the relative elastic properties of the particle and matrix. The results also show that loading condition has an important effect on the K₂ stress intensity factor and the crack deflection angle.     

Effects of intergrain sliding on crack growth in nanocrystalline materials

Theoretical models are suggested which describe the effects of intergrain sliding on crack growth in nanocrystalline metals and ceramics. Within the models, stress concentration near cracks initiates intergrain sliding which is non-accommodated at low temperatures and effectively accommodated at intermediate temperatures. The first model is focused on the non-accommodated intergrain sliding which leads to generation of dislocations at triple junctions of grain boundaries. These dislocations cause partial stress relaxation in the vicinities of crack tips and thereby hamper crack growth. It is shown that the non-accommodated intergrain sliding increases fracture toughness by 10–30% in nanocrystalline Al, Ni and 3C–SiC. The second model deals with the case of intermediate temperatures. Within this model, intergrain sliding is effectively accommodated by diffusion-controlled climb of grain boundary dislocations. The accommodated intergrain sliding in nanocrystalline materials results in crack blunting which, in its turn, leads to an increase (by a factor ranging from 1.1 to around 3, depending on temperature) of fracture toughness.     

CTS试件中复合型疲劳裂纹扩展

针对复合型循环载荷作用下的金属构件中的裂纹扩展问题进行了实验分析和理论建模. 首先 采用紧凑拉剪试件(CTS)和 Richard研制的复合型载荷加载装置，对承受复合型循环载荷的裂纹进行了实验研究. 实验选择了两种金属材料试件，分别承受3种形式的复合型循环载荷的作用，在裂纹尖端具 有相同的初始应力场强度的条件下考察复合型循环载荷对裂纹扩展规律的影响. 实验结果表明，疲劳裂纹的扩展速率与加载角度有关. 对于同样金属材料的试件，当裂尖处 初始应力场强度相等时，载荷越接近于II型，裂纹增长速率越快. 采用等效应力强度 因子(I型和II型应力强度因子的组合)、裂纹扩展速率及复合强度等参数，以实验数据为 基础，建立了一个疲劳裂纹扩展模型，用来预测裂纹在不同模式疲劳载荷作用下的扩展速率. 为验证其有效性，该模型被应用于钢制试件的数值模拟计算中. 实验结果与模拟计算曲线保 持一致，表明该模型可以用来估算带裂纹金属构件的寿命.