平流层飞艇蒙皮材料I型裂纹研究

 飞艇在平流层环境中受高低温交变、臭氧、紫外辐射等恶劣工况的影响。为研究平流层飞艇蒙皮材料I 型裂纹特性,在单轴向拉伸载荷下,分析了含有初始裂纹的蒙皮材料撕裂裂纹尖端区域变形场的测试方法和裂纹扩展特征。通过初始长度均为20 mm 的单边切口人工模拟预制裂纹试样,采用数字散斑相关方法试验,分别获得I 型裂纹尖端和垂直裂纹尖端的位移场和应变场分布,结合散斑变形图进行相关计算,发现撕裂裂纹扩展过程为近似的脆性断裂特征,垂直于撕裂裂纹扩展方向的材料试样裂纹尖端变形场呈现为离散阶跃变化特征。研究结果表明：该方法可以测量平流层飞艇蒙皮用的柔性层压织物的I 型裂纹尖端变形场,揭示裂纹尖端初始裂纹的扩展规律和演化特征,获得的大范围屈服裂尖长度的裂纹尖端的变形值曲线,可为平流层飞艇蒙皮材料的撕裂损伤变化分析和裂纹尖端变形场测试提供有效的方法。     

类岩石材料压缩破坏力学特性及裂纹演化特征

为探究含预制裂隙类岩石材料压缩破坏的力学特性及裂纹演化特征,利用自主研发的YYW-Ⅱ应变控制式无侧限压缩仪及高精度声发射(AE)监测系统,研究了含不同宽度预制裂隙的类岩石材料试样在单轴压缩条件下的受力变形和破坏模式,探究了试样的裂纹演化过程,进而分析了预制裂隙宽度对类岩石材料破坏的影响规律。结果表明:预制裂隙宽度由3 mm增大到5mm时,试样的峰值强度减小,峰值轴向应变增大,压密阶段的应变量亦增大;试样的破坏模式由自身材料性质为主导的剪切破坏,转变为预制裂隙下半部区域张拉破坏诱发的剪切破坏;试样主要裂纹演化由沿预制裂隙面向顶部和下部的发展,转变为预制裂隙下半部区域发育裂纹向上部和底部的扩展。研究成果可为岩土工程相似材料模型破坏特征及裂隙演化的研究提供一定的参考。     

裂隙岩石疲劳损伤变形规律CT试验初探

基于对裂隙岩石的细观CT试验，对含有单一裂纹的贵溪红砂岩在单轴疲劳荷载作用下的损伤扩展机理和演化过程进行了初步的试验研究。结果表明，含有预制裂纹的红砂岩的损伤演化和裂纹的扩展受到预制裂纹的影响，破坏裂纹从预制裂纹尖端起裂，并且最终破坏发生于含有最大预制裂纹的层面。     

基于数字图像技术的类岩材料直剪破坏试验研究

为研究裂隙倾角对岩体破裂失稳以及变形场的影响,分别制作了倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°的7种预制单裂隙类岩试样,利用ZTRS-210岩石直剪仪和非接触全场应变测量系统进行直剪试验,并对裂纹扩展和全场应变进行同步监测。结果表明：类岩材料的峰值剪应力随裂隙倾角增加表现出增-减-增-减的趋势,裂隙倾角15°时最大,60°时最小;随着裂隙倾角的增加,试样的破坏模式由共面剪切破坏向拉剪复合破坏转变,倾角90°时为沿剪切面剪切破坏,并伴随较多的次生裂纹;相同倾角时,应变场随荷载增加由应变均匀分布转变为应变集中分布;应变均方差在压密阶段以及弹性阶段较小且增长缓慢,在塑性阶段以及破坏阶段骤增。研究结果可为岩体工程稳定性分析提一定的参考。     

透明类岩石内蕴裂纹扩展变形试验研究

采用力学试验手段探究岩石受压情况下内部裂纹扩展贯通机理是了解岩石破坏失稳机制的重要手段。由于真实岩体内部裂纹无法直接观察其扩展过程,通过自行研制的透明类岩石材料在RMT-150B多功能全自动刚性岩石伺服试验机上进行单轴压缩力学试验,观察研究透明类岩石内部三维裂纹的扩展贯通机理。这一方法克服了真实岩体不透明的特点,更方便地观察岩体内部裂纹萌生扩展不同阶段的形状。通过对透明岩石内部布置不同长度和角度的裂隙,模拟不同长度和角度的原生节理裂隙对岩体破坏失稳的影响。研究结果表明:含预制裂纹的透明类岩石试件在压缩过程中三维裂纹的起裂扩展要比二维条件下复杂,大致经历了压密,弹性变形,裂纹扩展,脆性破坏四个阶段。含预制裂隙的试件其峰值强度和峰值轴向应变比完整试件均有明显降低,且预制裂隙的长度对峰值强度和峰值轴向应变的降低幅度有一定影响。试验成果无疑对分析真实岩体的破坏失稳机理有着重要的参考价值。     

刀具侵入作用下节理岩体位移及应变场演化特征试验研究

为了研究在全断面岩石隧道掘进机(TBM)作用下节理岩体的变形破坏特征,采用DSCM方法,通过对加载过程中试件表面数字散斑图像进行计算分析,获得刀具侵入作用下临界状态不同节理参数(倾角和间距)试件表面的位移场以及应变场分布特征。研究结果表明:节理参数的不同对试件表面位移场和应变场分布有着明显的影响,节理的空间位置控制着试件表面变形局部化特征,进而影响裂纹的扩展模式。试件达到临界破坏状态时,其应变场的分布特征能够很好地反映损伤局部化的特点。     

断续三裂隙砂岩单轴压缩裂纹扩展特征颗粒流分析

节理裂隙对岩石的强度破坏及裂纹扩展特征具有显著影响.为了进一步认识预制裂隙对断续裂隙岩石力学行为的影响,本文在一组经过室内试验标定的细观参数的基础上,进行了断续三裂隙砂岩试样单轴压缩颗粒流模拟.基于模拟结果,分析了岩桥倾角对裂隙砂岩试样应力-应变曲线、强度变形参数以及裂纹扩展特征的影响.研究结果表明:(1)峰值强度、弹性模量、峰值应变、裂纹起裂应力和贯通应力均随着岩桥倾角的增大呈先减小后增大再减小变化趋势,而裂纹损伤阈值与岩桥倾角之间无明显相关性;(2)岩桥倾角主要影响中间裂隙2的起裂模式,当岩桥倾角较小时裂隙2尖端不易萌生裂纹;(3)裂纹贯通模式和程度均与岩桥倾角密切相关.当岩桥倾角为0°、30°和60°时只有2处贯通,岩桥倾角为90°和120°时发生4处贯通,而岩桥倾角为150°时有5处贯通.裂纹贯通形式主要分为7类,而且断续三裂隙砂岩贯通模式是其中一类或多类贯通形式的组合.最后,从细观应力场和位移场角度讨论了岩桥倾角较小时中间裂隙2尖端裂纹较难起裂的原因.     

岩石双面剪切细观试验装置的研制及应用

为研究岩石的双面剪切细观损伤力学特性,自主研制岩石双面剪切细观试验装置。研究岩石材料的双面剪切强度和变形特性;利用细观观测系统和声发射系统,研究岩石双面剪切破坏过程的细观损伤力学特性;进行烘干砂岩非限制性双面剪切细观力学特性试验,获得双面剪切应力应变曲线、左右预定剪切面附近裂纹演化过程和细观裂纹分布特征。研究结果表明:岩石的双面剪切细观演化过程和裂纹形态分布与相同条件下单剪试验结果相比存在明显差异,利用该装置进行不同条件下的岩石双面剪切细观试验,可以从基于细观的损伤力学角度研究岩石双面剪切破坏机理。     

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.     

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。     

单轴压缩作用下含不同倾角裂隙的类岩石试样力学特性

对含有不同倾角的预制裂隙类岩石试样进行单轴静载态压缩试验,研究裂隙倾角对于试样强度、破坏模式、破坏过程及裂纹起裂和扩展规律的影响。研究发现,含有预制裂隙的类岩石试样与完整试样的应力-应变曲线相似,可分为压密段、线弹性段、裂纹稳定扩展段、应变软化段和残余强度段。含裂隙岩石的峰值抗压强度随裂隙倾角的逐渐增大呈V字形变化,裂隙倾角45°时,岩石的峰值抗压强度最低,裂隙倾角0°和90°时,岩石的峰值抗压强度最高。裂纹的起裂角随裂隙倾角的增加而逐渐减小,裂纹的起裂速度和稳定扩展速度随裂隙倾角的增大逐渐增大。裂纹随载荷的逐渐增加,从预制裂隙尖端开始起裂,在初始加载阶段,由于岩石还具有一定的强度,裂隙扩展不明显,达到一定的载荷时,裂隙迅速而稳定扩展,直至完全破坏。     

基于数字图像的复合岩石试验与损伤模型研究

为研究层状复合岩石破坏过程和形态,采用相似理论制作出层状复合岩石相似模型,在单轴压缩条件下观测岩石的破坏特征,结合三维数字图像相关技术(3D Digital Image Correlation,以下简称DIC)对试件的整体变形及破坏进行全过程的观测,得到复合岩石三维场的位移和应变,同时基于试件表面应变场的变化,建立了表面损伤程度与损伤因子D之间的量化关系,进而得到基于DIC表征的层状复合岩石损伤演化模型,研究结果表明：(1)层状复合岩石的破坏形态与脆性岩石特征相似,以拉伸劈裂破坏和Y型剪切破坏为主;(2)DIC试验记录的表面应变与损伤因子之间的量化关系可有效反应岩石破坏的全过程,以此为基础建立的损伤演化方程与实验数据拟合效果较好,证明了模型的合理性。     

静载下预制裂隙类岩石材料断裂实验与分析

在伺服控制单轴加载系统下对预制两条贯通裂隙类岩石材料进行加载试验,探索预制裂隙倾角和岩桥倾角对岩桥贯通模式的影响规律.对比实验与数值分析结果发现:随预制裂隙倾角及岩桥倾角的变化,裂隙体呈现出预制裂隙贯通破坏与单裂隙翼裂纹扩展贯通破坏;裂隙体预制裂隙发生贯通破坏时,岩桥倾角对裂隙体微裂纹贯通破坏模式的影响与裂隙倾角有关;裂隙倾角较大时(≥75°),岩桥倾角的影响不明显;裂隙倾角较小时(≤75°),岩桥倾角的影响越来越大,预制裂隙倾角45°附近影响最为显著;预制裂隙倾角较小(25°),岩桥倾角不大时(≤45°),裂隙体呈现出单裂隙翼裂纹扩展贯通破坏现象.裂隙体破坏时,预制裂隙尖端主要发育翼形裂纹和次生共面裂纹.     

脆性砂岩预制裂隙扩展破坏过程试验研究

采用CSS-3940YJ岩石力学试验机,开展单轴压缩条件下岩石预制裂隙扩展破坏过程试验.基于全程变形曲线的试验结果,分析了裂隙倾角对岩石变形、强度、裂隙扩展破坏方式的影响规律.研究结果表明,与完整岩样相比,预制裂隙砂岩变形呈现出局部化渐近破坏特征,其峰值强度、峰值轴向应变均明显降低,且降低幅度随着预制裂隙倾角的增大而减小;岩样宏观破坏模式主要呈现出拉破坏、剪破坏和混合破坏3种,且随着倾角的增加逐渐由剪向拉破坏过渡.值得指出的是:由于在加载过程中预制裂隙两端处于应力集中状态,导致在预制裂隙两端会首先萌生出垂直于裂隙的翼型裂纹,并沿着加载力方向向岩样两端发展,随后在预制裂隙两端会产生反翼型裂纹和次生共面剪切裂纹,裂隙倾角越小产生的次生裂纹数目越多,岩样的贯通破坏模式就会越复杂.     

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.     

裂纹尖端损伤区内细观变形的测量

用莫尔格子方法测量了韧性材料扩展裂纹尖端前方１ｍｍ２范围内细观变形场。由位移场计算了应变场分布。观察了裂纹尖端区域内孔洞的形成与扩展。宏观裂纹扩展与原始裂纹方向成±４５°方向前进。实验发现，在细观区域内裂纹尖端εｙｙ应变分布有奇异性，但是在静止裂纹阶段，不是ＨＲＲ奇异性，在扩展裂纹阶段也不是单ｌｏｇ奇异性。实验测量了距裂纹尖端 ０．１ｍｍ处的应变 εｙｏ，当裂纹扩展时该应变保持为常量，有希望可以代表材料韧性。     

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。     

三轴压缩单一裂隙砂岩细观损伤破坏特性CT分析

完成了含单一预制裂纹的裂隙砂岩三轴压缩条件下的细观破坏特性CT实时扫描试验.得到了裂纹萌生、发展、宏观裂纹形成、破坏等各阶段的CT图像.结果表明,与完整岩石试样一样,三轴压缩单一裂隙砂岩的破坏过程也可以分为线性发展阶段、细观裂纹萌生及发展阶段、损伤快速发展阶段和峰后损伤加速发展阶段等4个阶段,但是,由于已有裂隙的存在,裂隙岩石的损伤演化速度高于完整岩石的损伤演化速度,已有预制裂纹对新的裂纹的起裂位置及贯通性宏观破坏裂纹的形成具有重要影响,裂隙砂岩试样的扩容量大于完整试样破坏时的扩容量.     

基于数字散斑技术的压-剪裂隙岩体破坏过程分析

为了研究压-剪应力环境下裂隙岩体内部的裂纹起裂、扩展及破坏过程,采用水泥砂浆材料制作含不同倾角的非平行裂隙试样,并在刚性试验机上进行限制性压剪试验。与此同时,采用高分辨率电荷耦合器件(CCD)相机连续捕捉图像,并采用高精度数字散斑技术对变形图像进行处理,得到压剪加载过程中试样表面的应变场及位移场,进而获取非平行裂隙间的破坏过程。研究结果表明:压-剪应力共同作用下非平行裂隙试样的破坏形式基本可以分为脆性破坏和非脆性破坏;脆性破坏下,在加载初期试样内部的裂隙尖端并无翼裂纹产生,且试样破坏迅速,加载曲线峰后段加载力突然下降至残余值;非脆性破坏下,试样加载曲线可分为4个阶段,在压密阶段试样内部无裂纹产生,而在非线性变形阶段试样内部预制裂隙尖端将衍生出翼裂纹,加载过程中试样并未发生突然破坏,且加载曲线的峰后阶段加载力持续下降;此外,不同的裂隙倾角导致试样呈现出不同的破坏模式,当裂隙倾角为0°和180°时,试样内部断续裂隙间虽形成了贯通,但其主要破坏面是试样中部的贯通剪切破坏面。对于倾角为45°、90°和135°的情况,试样内部并未形成贯通式的破坏面,而是裂隙尖端衍生出的裂纹扩展至试样边界导致的破坏。     

数字散斑相关方法用于岩石结构破坏过程观测

文章介绍了数字散斑相关方法(DSCM)的基本原理及用DSCM进行岩石力学实验观测的观测系统，接着用此系统进行了一个岩石圆孔结构变形破坏过程的变形场观测，实验结果显示了此种岩石结构的复杂破坏过程。岩石结构的破坏经历损伤的积累及局部化过程，结构最终沿某一局部化带发生宏观破坏，但局部化带的演化在时间和空间上均不稳定，甚至存在跳跃与竞争现象。