Ⅰ型裂缝经弱界面钝化扩展实验研究1)

天然裂缝或层理等弱界面的剪切破坏是体积压裂裂缝网络形成的关键因素。利用数字散斑相关技术,通过三点弯曲构建了I型裂缝经过弱界面时的扩展特性实验,获得了试件表面位移场和应变场的变化规律。实验结果表明：I型裂缝扩展至弱界面层后,裂缝发生短暂停滞扩展,裂缝尖端张开位移迅速增加,I型裂缝尖端钝化,弱界面剪切应变迅速增加,裂缝由I型裂缝转变为I-II复合型裂缝并转向扩展。     

骨料粒径对混凝土Ⅰ型断裂裂缝扩展影响研究

为研究不同骨料粒径混凝土Ⅰ型断裂裂缝扩展特性,开展了骨料粒径为10、20、30、40 mm的混凝土三点弯曲梁断裂试验;结合数字图像相关技术(digital image correlation, DIC)测得试件表面计算区域全场位移变化数据;对不同骨料粒径混凝土断裂能、断裂韧度、断裂过程区(fracture process zones, FPZ)变化和发展进行研究,探讨了FPZ扩展过程与峰后荷载之间的关系。结果表明：随着骨料粒径增大,试件峰值荷载和断裂参数均呈现先增大后减小的趋势,M20试件FPZ长度的变化与峰后荷载的变化有很强的关联性,其骨料对微裂缝扩展的约束效果最好;此外,通过分析不同骨料粒径混凝土试件FPZ的发展规律,可知,骨料粒径为20 mm的混凝土试件,其峰后局部变形能力得到了改善,断裂能及断裂韧度得到了提高,在断裂过程中具有比其他骨料粒径混凝土更高的承载力和更小的FPZ,因此,合适的骨料粒径为20 mm。     

循环加载条件下混凝土Ⅰ型裂缝扩展模拟的接触算法

沿裂缝可能开展路径设置接触点对,把求解接触问题的有限元混合法进行扩展,以实现循环加载条件下混凝土Ⅰ型裂缝扩展的数值模拟.根据荷载过程状态和缝面接触状态的不同,将循环荷载作用下的混凝土本构关系抽象为力学模型中的六种不同接触状态,不同的接触状态对应着不同的位移-应力曲线关系.以缝面张开位移和接触应力作为接触状态转变的判断参量,并给出了各状态的转变关系和数值判断条件,以接触算法实现了循环加载条件下混凝土Ⅰ型断裂扩展的数值模拟.首先给出了有限元混合法求解接触问题的基本思路,然后引入循环荷载下的混凝土本构关系,再对Ⅰ型裂缝扩展的数值实现方法进行了阐述,最后通过数值算例说明了数值实现方法的正确性和有效性.     

聚乙烯Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展实验研究

本文采用中密度聚乙烯(MDPE)单边斜切口板状试样,完成了多种条件下的Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展试验。通过对裂尖和裂尖银纹区演化的全程显微测量,获取了各试样疲劳裂纹扩展过程的一致性特征,其过程分为初始银纹区萌生、银纹区转向、裂纹宏观扩展三个阶段。通过计算发现最大周向拉应力准则能精确预测第一阶段初始银纹区的萌生角度。试验表明第二阶段中银纹区发生转向,且第三阶段中裂纹始终沿垂直于外载荷方向的路径扩展,该现象通过银纹机理结合对裂尖奇异场的分析得到了解释,并从断面分析中得到印证。对比不同加载角下试样的裂纹扩展过程,发现裂纹萌生时间随加载角增大显著增长,但裂纹扩展特征一致。     

垂直裂缝在砂泥岩层理界面上拐折扩展特性研究

首先以大庆油田薄差油藏的砂泥岩储层力学参数为基础,根据相似原理,制备了砂泥岩相似材料试件。然后通过三点弯曲实验构建了Ⅰ型裂缝扩展,并采用数字散斑相关方法,获得了裂缝扩展过程中试件表面散斑场的变化规律。由此给出了界面位置处裂尖的应力奇异性阶数及应力强度因子,了解了材料强度差异对裂缝在界面扩展特性的影响。分析表明,当垂直裂缝从高强度材料一侧扩展时,界面的应力奇异性阶数大,界面的应力集中效应高,KⅡ/KⅠ比值小,裂缝拐折程度小,反之亦然。     

非对称III型界面裂纹扩展的动态问题

通过复变函数论的方法,对非对称Ⅲ型界面裂纹扩展的动态问题进行了研究.采用自相似函数的方法可以轻易地将所论问题转化为Riemann-Hilbert问题,并求得了裂纹坐标原点分别受到变载荷$Pt/ x$, $Px^3 /t^2$作用下的解析解的一般表达式.通过Muskhelishvili方法可以相当简单地得到问题的闭合解. 利用这些解并采用叠加原理,可以求得任意复杂问题的解.      

非对称Ⅲ型界面裂纹扩展的动态问题

通过复变函数论的方法,对非对称Ⅲ型界面裂纹扩展的动态问题进行了研究.采用自相似函数的方法可以轻易地将所论问题转化为Riemann-Hilbert问题,并求得了裂纹坐标原点分别受到变载荷Pt/z,Px3/t2作用下的解析解的一般表达式.通过Muskhelishvili方法可以相当简单地得到问题的闭合解.利用这些解并采用叠加原理.可以求得任意复杂问题的解.     

界面剪切实验研究

用云纹干涉法测量了带边裂纹的双材料四点简支梁在剪切作用下界面表面的剪应变分布及界面两侧局部表面的位移场（Ｕ、Ｖ场），试件是由弹性模量相差悬殊的铝合金和环氧塑料两种材料制成。文中给出了试件制备、实验方法和测试结果。     

蠕变材料Ⅰ型动态扩展裂纹尖端场

为了研究黏性效应作用下的动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了蠕变材料Ⅰ型动态扩展裂纹的 力学模型.首先,依据在稳态蠕变阶段,弹性变形和黏性变形同时在裂纹尖端场中占主导地 位,由量级协调可知,应力和应变具有相同的奇异量级,即(σ,ε)∝/ r- 1/(n-1). 其次,通过渐近分析推导出动态扩展裂纹尖端场的控制方程并求得了裂纹尖端应 力、应变和位移分离变量形式的渐近解.最后,采用双参数打靶法求得了裂纹尖端应力、应 变的数值结果.数值计算表明,裂尖场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制;在Ⅰ 型动态扩展裂纹前方,环向应变达到最大值,可据此建立断裂准则. 由于裂纹稳定扩展与非稳定扩展的主奇异项相同,因此对于稳定扩展裂纹的渐近分析方 法,同样适用于非稳定的裂纹扩展问题.     

界面断裂韧性的实验研究

本文以铝材与浇注的环氧树脂之间的界面裂纹为研究对象，用三点弯曲和四点弯曲的试验方法，并结合有限元法的数值分析，对双材料界面裂纹的扩展判据，即裂纹扩展的临界能量释放率ＧＣ与相位角ψ↑＾的关系曲线，进行了初步验证。结果表明这一判据基本上是可取的。但是，应该注意界面裂纹的韧性与多种因素有关，实际应用ＧＣ－ψ↑＾曲线时，必须严格区分不同因素。     

粘弹性胶层中Ⅰ型裂纹的动态扩展

研究粘弹性胶层中Griffith裂纹在Ⅰ型载荷作用下,裂纹尖端动态应力强度因子和能量释放率的时间响应.首先,利用积分变换方法,推导出粘弹性层的控制方程组;其次,引入位错密度函数,并结合边界条件和界面连接条件,导出反映裂纹尖端奇异性的Cauchy型奇异积分方程组,然后,应用Chebyshev正交多项式化奇异积分方程组为代数方程组,并采用Schmidt方法对其数值求解,最后,经过Laplace逆变换,求得动态应力强度因子和能量释放率的时间响应.通过对材料参数的讨论,得到动应力强度因子和能量释放率随剪切松驰参量的减小而增大,随膨胀松弛参量的减小而减小,弹性参数对其影响较小.     

节理发育地层水力裂缝扩展数值研究

在进行岩石地层水力压裂过程中往往会遇到许多天然节理弱面,水力裂缝遇到天然节理弱面时裂缝扩展形态会发生变化。为研究节理发育地层水力压裂裂缝扩展形态,采用ABAQUS软件进行数值研究,通过Python编制了嵌入全局Cohesive孔压单元的程序,利用Cohesive孔压单元的损伤开裂模拟裂缝的扩展,并介绍了编程时进行节点分裂的规则及生成Cohesive孔压单元的要点。为验证本文方法的正确性,模拟了水力裂缝与单条节理面相交时,不同相交角度下裂缝扩展情况;并与采用最大能量释放率准则得到的裂缝扩展理论相对比,数值结果与理论相一致。同时模拟研究了水平地应力差为2MPa时的裂缝扩展形式,并分析了不同地应力差对裂缝扩展的影响。结果表明:水力裂缝沿着垂直最小水平主应力方向扩展,在遇到节理弱面时会发生转向分叉等行为;低地应力差下裂缝扩展形态复杂,容易形成复杂裂缝网;高应力差下裂缝直接穿过节理面沿最大主应力方向扩展,裂缝形态单一;随着应力差的增大主裂缝扩展方向逐渐趋近最大主应力方向。     

摄动法分析各向异性介质中Ⅲ型裂缝的侧向扩展

本文内容分为两部分。首先用Green函数方法求解各向异性介质中Ⅱ型裂缝的扩展问题。在此基础上,利用摄动法求解各向异性介质中Ⅱ型裂缝的侧向扩展问题。摄动参数为转向角.结果表明,强度因子的零阶摄动解具有O[~2]的精度,方便了计算。最后进行了数值计算,给出在不同介质中以常速度侧向扩展的裂缝的强度因子随侧向扩展速度和转向角的变化关系。     

摄动法分析各向异性介质中Ⅲ型裂缝的侧向扩展

本文内容分为两部分。首先用Green函数方法求解各向异性介质中Ⅱ型裂缝的扩展问题。在此基础上,利用摄动法求解各向异性介质中Ⅱ型裂缝的侧向扩展问题。摄动参数为转向角δ.结果表明,强度因子的零阶摄动解具有O[δ~2]的精度,方便了计算。最后进行了数值计算,给出在不同介质中以常速度侧向扩展的裂缝的强度因子随侧向扩展速度和转向角的变化关系。     

界面不稳定性实验的数值研究

采用多介质流体的三阶精度Piecewise Parabolic Method (PPM) 计算方法对界面不稳定性实验模型进行数值模拟,通过对Lawrence Livermore National Laboratary (LLNL)实验室的果冻环实验模型的数值计算,获得了与其计算和实验图像基本一致的结果, 从而验证和确认了计算方法和计算程序. 在此基础上,对于冲击波物理与爆轰物理实验 室设计的果冻内外界面10模峰对峰、峰对谷振幅为1\,mm扰动的界面不稳定性实验模型,给出 了果冻内外界面位置、速度和加速度历史曲线,详细分析了果冻内外界面不稳定性的发展、 演化过程,并给出了两种实验模型实验结果和对应的数值模拟结果.     

裂纹扩展稳定性的实验研究

对五种金属材料进行了裂纹扩展稳定性的实验研究,试件分别采用三点弯曲试件(3PB 试件)和紧凑拉伸试件(CT 试件).试验结果分别由载荷 P——位移Δ曲线斜率的变化,(dp)/(dΔ)——Δ曲线,和撕裂模量曲线验证“撕裂失稳准则”.实验表明该准则是非保守的,同时还表明材料撕裂模量曲线 T_(MAT)-Δ(?)有相当离散度.     

弱不连续问题扩展有限元法的数值精度研究

主要研究了扩展有限元法(extended finite element method, XFEM)在处理弱不连续问题时不同改进函数形式对XFEM数值求解精度的影响,阐述了各种改进函数影响XFEM求解精度的关键因素,指出校正的扩展有限元法(corrected-XFEM)能够提高数值求解精度的实质在于它拓展了改进结点域,即将常规扩展有限元法(standard-XFEM)的改进结点域增加一层作为corrected-XFEM的改进结点域,文中建议延拓corrected-XFEM的改进结点域,即在corrected-XFEM的改进结点域基础上再增加一层改进结点. 利用水平集函数表征材料内部的不连续界面,推导了XFEM求解的支配方程,给出了一种改进单元的数值积分方案以及改进单元处高精度应力的求解方法. 含夹杂问题的数值计算结果表明:建议的延拓corrected-XFEM改进结点域的方法能够明显提高XFEM的数值求解精度.