岩石宏细观弹塑性损伤破坏对比研究

为了考虑岩石内细观局部塑性变形,基于应变空间理论导出岩石弹塑性损伤增量本构方程,提出了在计算程序中用破坏单元网格消去法清晰模拟裂纹扩展的方法,解决了有限元模拟裂纹的难题,分别从宏观尺度和细观尺度研究了岩石Ⅰ型裂纹弹塑性损伤破坏问题.对比分析表明,宏观尺度研究Ⅰ型裂纹扩展符合断裂力学理论分析;细观尺度研究岩石破坏过程能深入解释细观破坏机理,岩石宏观破坏直接与其内部的细观损伤破坏有关;三维数值模拟破坏过程比二维破坏更为复杂;大理岩偏三点弯曲梁弹塑性损伤破坏数值模拟得到的结果与试验结果较为吻合,验证了新建细观尺度模型模拟岩石破坏问题的合理性.     

基于相场法的岩石三点弯曲细观破坏数值模拟

岩石中裂纹的起裂、扩展和贯通等行为是研究岩石变形、强度及稳定性的关键力学问题,通过数值方法预测和分析裂纹扩展行为具有重要意义。相场法在严谨准确的理论框架内,克服了传统断裂力学理论及数值计算方法显式追踪裂纹面的挑战,能很好地模拟裂纹起裂、扩展、分叉和多裂纹相互贯通。本文通过裂纹扩展主要区域建立了能够反映岩石内部细观结构的多尺度模型,利用相场法从细观力学尺度预测和分析了岩石三点弯曲时内部裂纹的起裂、扩展和贯通的破坏过程,分析了矿物颗粒的位置分布和能量释放率等参数对裂纹扩展行为的影响规律。通过与室内岩石三点弯曲宏观和细观试验对比分析,结果表明,相场法能够很好地模拟和预测具有复杂细观结构的岩石内裂纹的萌生、扩展和贯通的破坏过程。     

焊接结构损伤区细观裂纹扩展的分形特征及其多尺度损伤表征

为了研究焊接结构破坏过程中的宏细观损伤演化特征及其表征方法,以含细观裂纹的焊接构件为对象,采用X-CT(X射线计算机断层扫描)和电测技术同步记录试样内部细观结构和宏观力学性能变化过程.实验发现,试样变形过程中试样在弹性模量减小的同时,其内部细观裂纹不断萌生、扩展和聚合,扩展形态表现出显著的分形特征,且分形维数随试样塑性变形呈线性增加的趋势.综合考虑裂纹扩展形态的分形维数度量与裂纹扩展的物理意义,提出了一种多尺度损伤表征方法,以同时描述结构宏观损伤特性与内部细观裂纹扩展特性,并用传统的损伤量化方法进行验证.结果表明,新的多尺度损伤表征方法能够很好地描述细观裂纹到宏观损伤的多尺度演化过程.     

描述微裂纹成核与扩展的疲劳损伤多尺度模型及其应用

利用多尺度模拟的方法建立了针对疲劳损伤累积过程中微裂纹成核与扩展阶段的疲劳损伤多尺度模型,对模型的有效性进行了实验验证,并将其应用于变幅疲劳载荷下某装甲车传动轴的疲劳寿命评估中.研究结果表明,所提模型能同时预测宏观尺度疲劳损伤与细观尺度微裂纹的成核与扩展率,利用该模型所预测的宏观疲劳损伤值与实验所测值相符.该模型既能合理地描述宏观尺度下不同应力水平的疲劳损伤演化过程,又能综合反映细观尺度下微裂纹的成核与扩展行为.利用这种多尺度疲劳损伤模型可以预测结构在疲劳微裂纹成核与扩展阶段所消耗的疲劳寿命,为各类结构疲劳损伤累积过程评估和准确进行寿命预测提供了一种新途径.     

基于摄动方法的多尺度损伤表示理论

结构和材料的损伤破坏包含多个尺度, 单独一个尺度的分析很难正确地反映结构和材料的非线性行为. 我们从摄动均匀化理论出发, 基于不可逆热力学理论, 建立了联系细观尺度与宏观尺度的多尺度能量积分, 再结合经典连续损伤理论, 建立了基于细观微结构计算宏观连续损伤变量的一般方法体系, 即为多尺度损伤表示理论. 该理论将多尺度分析方法与传统连续损伤力学紧密结合在一起, 在此基础上建立的数值算法既能够从细观和宏观两个尺度上反映整体结构的损伤和破坏过程, 同时数值模拟的计算量也能够控制在合理的范围内. 最后的数值算例表明了理论的正确性和有效性.     

内置三维裂隙非均匀性岩石渐进破坏数值研究

岩石内部裂隙缺陷对新裂纹的萌生扩展有显著影响,导致岩石强度大幅降低甚至破坏.研究内置缺陷岩石裂纹的萌生、演化与微破裂分布,有助于揭示岩体渐进破坏规律,具有重要的工程意义.采用细观损伤数值方法对单轴压缩下内置裂隙岩石的破坏进行研究,再现不同均质度岩石微破裂萌生、发育、扩展、贯通直至破坏以及整个过程的声发射分布.将数值试验同物理实验比较,结合前人研究进行分析.结果表明,内置三维裂隙岩石裂纹扩展和破坏过程与相应物理实验总体上一致;在较均质岩石中观察到反翼型裂纹,揭示出反翼型裂纹主动偏向翼型裂纹扩展的现象;鱼鳍状裂纹在椭圆裂隙扩展试验中极易出现,并在均质岩石中表现为翼型裂纹与反翼型裂纹以卷曲面形式扩展形成包裹状破裂面;岩石非均匀性对其应力场,强度,声发射和破坏形式有显著影响,均质性差的岩石易沿着内置斜裂隙发生单截面剪切破坏;细观损伤数值方法可以模拟岩石破裂全过程并揭示微破裂空间位移、聚集规律,研究结果可为研究岩石破坏机理的物理实验和理论分析提供借鉴.     

多组非贯通裂隙岩石的压缩特性数值研究

裂隙岩体力学性质研究是非常复杂的课题,非贯通裂隙岩石的力学行为与裂隙的几何产状密切相关,裂纹的扩展贯通直接影响岩石的破坏。采用改进刚体弹簧方法,以随机均布Voronoi图为基础,生成不同裂隙产状的岩石数值模型,模拟含多组非贯通裂隙岩石的细观起裂和扩展过程。从细观和宏观两个方面分析了预制裂隙的贯通模式及其对岩石宏观破坏模式的影响;并得到沿平面破坏、阶梯状破坏、沿次生块体转动破坏三种破坏模式。通过分析岩石渐进破坏过程揭示其破坏机理;且定量分析了裂隙岩石在强度上表现出的各向异性特征。将数值计算结果与已有的岩石试验结果对比分析,表明数值与试验结果吻合较好。     

损伤跨尺度演化导致的混凝土强度尺寸效应

基于直接从混凝土破坏机理出发建立的混凝土材料微裂纹模型,对不同尺寸的混凝土三点弯梁试样进行了多尺度建模,对损伤演化导致的试样破坏进行了数值仿真分析,探讨了混凝土尺寸效应的发生机理.研究结果表明:混凝土材料微裂纹模型能成功模拟混凝土中微裂纹分布式生长、聚合、宏观裂纹形成与扩展、试样破坏的全过程;随着混凝土梁试样尺寸的增大,试样中的微裂纹数目及其分布的随机性也随之增加;这些裂纹在微细观尺度上的无序效应在损伤跨尺度演化过程中被放大,导致混凝土试样的宏观力学行为随之变化,即强度减小,断裂能增大,宏观性能的离散度减小;损伤跨尺度的非线性串级发展是导致混凝土强度尺寸效应的根源;相较于Bazant尺寸效应,模拟结果更符合Carpinteri多重分形尺寸效应律.     

岩石裂纹亚临界扩展实验与压剪流变断裂模型

采用双扭试件的常位移松弛法对金川三矿区的大理岩、二辉橄榄岩和混合岩进行双扭试验,获得其裂纹扩展速率v与应力强度因子KI的关系及岩石断裂韧度,确定岩石亚临界门槛值K0。结合岩石压剪断裂理论和岩石亚临界裂纹扩展试验,建立压剪岩石裂纹翼形流变断裂扩展理论模型,提出翼形裂纹最终扩展长度由瞬时扩展长度和流变扩展长度组成。采用ANSYS断裂力学模块实现翼形裂纹尖端关键点随翼形裂纹扩展的自动生成,建立翼形裂纹流变扩展的数值分析模型。研究结果表明:采用常位移松弛法所测岩石的lg KI-lg v关系有很好的线性规律,3种岩石的K0/KIC在0.6~0.9之间;通过对算例进行理论分析和数值模拟,发现翼形裂纹流变断裂理论模型与数值分析结果很吻合。提出的岩石裂纹流变断裂理论为研究岩石裂纹流变扩展细观机理及岩体工程流变破坏的宏观机制提供了一个新的研究手段。     

基于压缩载荷下微裂纹扩展的微观力学岩石弹塑性损伤模型研究

建立基于微裂纹扩展的岩石弹塑性损伤微观力学模型。压缩载荷下微裂纹尖端翼裂纹稳定扩展表征岩石的微观损伤,基于应变能密度准则用Newton迭代法求复合型断裂的翼裂纹扩展长度,并采用微裂隙统计的二参数Weibull函数模型反映绝对体积应变对微裂纹分布数目影响,进而用翼裂纹扩展所表征的应力释放体积和微裂纹数目来表示含有微裂隙的岩石损伤演化变量;宏观塑性屈服函数采用Voyiadjis等效塑性应变的硬化函数,反映塑性内变量对硬化函数的影响;建立岩石的弹塑性损伤本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制弹塑性损伤模型的程序。分析弹塑性损伤模型的基本特性和围压对岩石损伤的影响,并从围压和短微裂隙长度等因素分析弹塑性损伤模型的岩石的损伤和宏观塑性特性。以2个单轴压缩岩石试验为例验证该模型。结果表明:所提出的弹塑性损伤模型与数值和试验结果比较吻合。     

水压致裂过程的弹塑性细胞自动机模拟

利用自行研发的弹塑性细胞自动机模型和模拟系统，建立了非均质岩石水压致裂过程的细胞自动机模拟方法.该方法能够反映流体在水力梯度作用下进入新生微裂隙、形成新的流体渗流边界而对该边界产生张拉效应，并引起微裂隙的进一步扩展、贯通，最终形成宏观裂纹的过程，可以方便地进行水压致裂过程中边界条件和水力参数的动态更新.同时，研究了不同均质度和井筒内径对水压致裂行为的影响.结果表明，随着井筒内径增加，极限水压力降低，而破裂模式基本相似，模拟结果与典型实验现象吻合较好.     

爆破荷载作用下岩石破坏特性的“共轭键”基近场动力学数值模拟研究

近场动力学是一种基于非局部弹性理论的积分形式的无网格数值方法.本文为克服传统近场动力学模型中的固定泊松比问题,建立了"共轭键"基近场动力学模型,实现了岩石爆破破坏特性的近场动力学数值模拟.通过引入"共轭键"转动角度及建立微观和宏观变形能的等效关系,推导了"共轭键"基近场动力学模型中的法向刚度参数及切向刚度参数与宏观力学参数之间的关系.另外,通过对影响域中每根"键"所储存的能量密度与临界"键"能量密度进行对比,判断近场动力学模型中的"键"是否断裂,从而实现裂纹起裂、扩展及连接过程的数值模拟.三个数值算例说明:该模型能有效地模拟岩石爆破破坏特性.数值算例与试验结果对比表明,本文所提出的数值方法可以预测岩石材料的爆破破坏模式及特性.     

矿山岩层细观尺度破坏数值模拟研究若干进展

为了揭示岩石细观尺度破裂演化及其力学特征，研究获得的力学元胞自动机（MCA）方法能够基于能量传递及耗散规则，有效模拟细胞岩石破坏演化过程及其能量释放规律；开发的细观二维颗粒元（2D-bail）模拟方法实现了对煤岩动力过程及其能量变化的有效模拟；研究改进的Boltzmann方法实现了对裂隙煤体内瓦斯运移规律及解吸附特征的有效模拟。     

铸造速度对Al-Cu合金半固态组织影响的多尺度模拟

用多尺度模拟方法研究了半连续铸造过程与Zl201合金成分近似的5%Al-Cu合金凝固组织受铸造速度的影响。建立了温度场模型和相变模型。通过固相率的变化把温度场计算和微观组织模拟从宏观尺度和介观尺度耦合起来。将宏观尺度上计算出的稳态温度场映射到介观尺度上。利用液固相变区中原胞的平均过冷度确定半连续铸造过程中各元胞的形核,采用溶质扩散模型描述晶粒长大。针对选定对象模拟了浇铸温度为930 K,铸造速度在(1.5～3.5)mm/s时微观组织的演变。结果表明,当铸造速度在2.0 mm/s时得到的微观组织均匀、细小,模拟结果与实验结果吻合。     

基于塑性损伤理论的PBX圆拱结构变形破坏分析

为研究PBX构件在复杂应力状态下的力学行为,采用塑性损伤模型对PBX圆拱结构在压缩条件下的变形与破坏过程进行模拟,分析了不同约束状态下PBX构件的承载能力、变形破坏过程与裂纹形貌,发现试件的承载能力随着端部摩擦的增强而提高,经过与实验结果的对比可知,当摩擦因数取0.2时模拟得到的失效载荷为908.9 N,与实验结果的平均值921.3 N最为接近.在约束状态下圆拱的承载能力有了较大提高,并且在裂纹出现后试件仍然能够继续承载.通过数值模拟可知端部约束条件抑制了试件的变形和裂纹的扩展.在强约束条件下试件发生了二次破坏,通过数值模拟再现了这一过程,通过与实验的对比发现数值模拟在描述裂纹形貌、载荷等方面有较好的结果.      

基于应变模态梁型结构损伤识别研究

传统损伤识别方法大多仅限于结构件中单个裂纹的确定,且损伤识别指标无法准确反映早期局部损伤。为此,提出了一种以应变模态差为表征指标的结构表面多裂纹损伤识别方法。首先,依据欧拉伯努利梁理论,建立了含有多裂纹悬臂梁结构传递矩阵方程,得到含裂纹悬臂梁位移模态振型和应变模态振型;其次,计算损伤前后应变模态差并作为损伤识别指标进行识别。以悬臂梁为例,利用MATLAB分别对单损伤和多损伤等不同工况条件进行了模拟仿真,在此基础上,利用PVDF压电传感器进行了单裂纹和双裂纹悬臂梁损伤识别实验。仿真结果和实验结果表明：应变模态差可以对单裂纹与多裂纹损伤工况进行识别,且识别精度高。     

岩石断裂力学的扩展有限元法

针对岩石材料的断裂力学问题阐述扩展有限元法的单元位移模式的选择、确定平面裂纹空间位置的水平集法和特殊单元的数值积分方法。介绍最大周向应力裂纹扩展判据和计算应力强度因子的相互作用积分法,进而建立岩石断裂力学的扩展有限元法。建立Ⅰ型裂纹和Ⅱ型裂纹的岩石断裂力学的扩展有限元计算模型,对I裂纹的应力强度因子和Ⅱ型裂纹的裂纹扩展路径进行扩展有限元法数值模拟计算。结果表明,建立的岩石断裂力学扩展有限元法可对岩石材料的断裂力学参数和裂纹扩展路径进行数值模拟分析,验证了数值计算结果的合理性,能有效地描述岩石断裂力学特性。     

压裂中顶底板对缝高控制作用的数值模拟研究

裂缝在缝高方向的延伸会导致裂缝有效长度的降低,影响压裂效果;也可能直接穿过水层,造成压裂施工的失败。因此,基于FEPG有限元平台,利用网格开裂技术,开展了煤层气井压裂数值模拟研究,对垂向裂缝起裂、扩展及穿层的全过程进行分析。数值模拟结果表明:煤层气井压裂过程中,控制裂缝是否向隔层扩展主要取决于作业的净压力与隔层水平地应力差之间的关系;与储集层岩石力学性质相比,储集层的地应力剖面是影响裂缝垂向扩展范围的主要因素;T型缝、工型缝等复杂缝是由储集层的岩石力学性质和地应力共同作用的结果。这对于提高现场煤层气井水力压裂的效果具有重要的指导意义。     

考虑劈裂对应力集中缓解作用的纤维增强复合材料损伤破坏分析

外载荷作用下含缺口纤维增强复合材料层合板在缺口边缘存在很高的应力集中,在载荷水平较低时,缺口边缘纤维间基体受剪切作用会发生沿纤维方向的纵向劈裂,该纵向劈裂会降低缺口处的应力集中并提高层合板的承载能力。为准确模拟纵向劈裂对缺口边缘应力集中的缓解作用,利用扩展有限元方法模拟劈裂建立了复合材料层合板渐进性损伤破坏分析的仿真模型,模型选用Hashin破坏准则对复合材料层合板的失效进行预测,分别研究了铺层顺序和缺口形状对复合材料层合板抗拉强度的影响,并与现有文献中的实验结果进行了对比,模拟结果表明破坏模式和破坏强度均与实验结果相吻合,验证了本文渐进性损伤破坏分析仿真模型的有效性。     

拉剪倾倒型危岩失稳影响因素研究

运用断裂力学分析危岩中的倾倒变形破坏,基于岩石拉剪断裂试验,研究裂纹在载荷作用下起裂、扩展规律,探索断裂过程中裂纹的扩展行为,并探讨裂纹长度、宽度、倾角与荷载位置对危岩失稳模式与稳定性的影响。以重庆万州太白岩危岩为例,利用有限元软件ANSYS计算不同裂纹条件下裂纹尖端的应力状态,并讨论其与联合断裂应力强度因子的关系,模拟裂纹扩展的动态过程。结果表明,拉剪倾倒型危岩在受力破坏过程中,裂纹尖端出现拉应力集中,危岩的开裂从张拉破坏开始,下部出现压剪破坏,危岩稳定性的影响因子敏感性从大到小依次为:荷载位置、裂纹长度、裂纹倾角、裂纹宽度。