脆性岩石反平面剪切(III型)断裂机理的有限元分析

采用有限元法分析了反平面剪切盒(I III型)加载下岩石裂纹尖端的应力场,探讨了岩石发生反平面剪切(III型)断裂的机理。计算结果表明:在反平面压剪加载下,当压模角α为55 o～70 o,附加外压力能有效地抑制裂尖拉应力,使得裂尖最大剪应力与最大拉应力的比值τmax/σ1为3～6,τmax较易在σ1之前达到其临界值,从而发生反平面剪切(III型)断裂。反平面剪切盒实验是实现岩石III型断裂和测定岩石III型断裂韧度KIIIC的有效实验方法。     

反平面剪切(Ⅲ型)加载下岩石断裂特征的有限元分析

采用有限元方法分析了在反平面剪切（Ⅲ型）加栽下岩石裂纹尖端的应力场及其尺寸效应，探讨了岩石在Ⅲ型加栽下的起裂角与断裂机理，并与实验结果加以对比．结论表明，在Ⅲ型加栽条件下，岩石不一定产生沿原裂纹面裂纹扩展的Ⅲ型断裂．当试件的最大剪应力与最大拉应力之比τmcr／σ1小于其临界值之比τ1／σ2时，往往产生偏离原裂纹面方向而沿着最大拉应力方向的拉伸（Ⅰ型）断裂，断裂轨迹为一空问螺旋面．为实现Ⅲ型加栽下沿原裂纹面扩展的Ⅲ型断裂，建议采用S／L〉0．8和a/w〈0．2的反平面冲剪试件．     

剪切盒加载下岩石剪切(Ⅱ型)断裂韧度K_(ⅡC)的测定

采用剪切盒实验获得了岩石的Ⅱ型断裂并测定了岩石的Ⅱ型断裂韧度KⅡC ,通过有限单元法中的位移法推导出剪切盒加载下双切口试样的Ⅱ型应力强度因子KⅡ 的一般计算公式 ,并探讨了KⅡC的尺寸效应和Ⅱ型断裂机理 .实验及数值计算结果表明 :在剪切盒加载下 ,裂纹尖端最大拉应力始终低于岩石的拉伸强度 ,最大剪应力大于其对应压应力下的剪切强度 ,且Ⅱ型最大应力强度因子KⅡmax为Ⅰ型最大应力强度因子KⅠmax的 2～ 4倍 ,从而导致产生Ⅱ型断裂 ;测得的KⅡC值随无量纲切口长度 (2a W)的增加而降低 ,当 2a W≥ 0 .7,且B≥W ,α为 6 5°～ 75°时 ,KⅡC趋近于一个常数 ,该常数为Ⅰ型断裂韧度KⅠC的 2～ 3倍 ,可认为是较合理的岩石Ⅱ型断裂韧度值 ;剪切盒实验是一种测定岩石KⅡC 的行之有效的方法 .     

剪切盒加载下岩石剪切(Ⅱ型)断裂韧度KⅡc的测定

采用剪切盒实验获得了岩石的Ⅱ型断裂并测定了岩石的Ⅱ型断裂韧度KⅡc,通过有限单元法中的位移法推导出剪切盒加载下双切口试样的Ⅱ型应力强度因子KⅡ的一般计算公式,并探讨了KⅡc的尺寸效应和Ⅱ型断裂机理.实验及数值计算结果表明在剪切盒加载下,裂纹尖端最大拉应力始终低于岩石的拉伸强度,最大剪应力大于其对应压应力下的剪切强度,且Ⅱ型最大应力强度因子KⅡmax为Ⅰ型最大应力强度因子KImax的2～4倍,从而导致产生Ⅱ型断裂;测得的KⅡ c值随无量纲切口长度(2a/W)的增加而降低,当2a/W≥0.7,且B≥W,α为65°～75°时,Kc趋近于一个常数,该常数为Ⅰ型断裂韧度KIc的2～3倍,可认为是较合理的岩石Ⅱ型断裂韧度值;剪切盒实验是一种测定岩石KⅡc的行之有效的方法.     

如何判断在各种加载下的断裂模式：I型还是Ⅱ型

长期以来传统的断裂力学最为突出的误解是将剪切下的断裂误认为是Ⅱ型断裂.通过对Ⅱ型加载裂纹尖端的应力研究表明,在裂纹尖端周围同时有周边(拉或压)应力和剪切应力存在.对于脆性材料,当裂纹尖端的最大周边拉应力大于最大剪应力时,只有Ⅰ型断裂可能发生.Ⅱ型断裂试验及研究表明,Ⅰ、Ⅱ型断裂发生是有前提条件的.Ⅰ型断裂发生的前提条件是:1),fθmax/fθmax<1,或2),fθmax/fθmax>1,但fθmax/fθmax1和fθmax/fθmax>KIIC/KIC·fθmax是裂纹尖端最大无因次剪应力强度因子,fθmax是裂纹尖端最大无因次拉应力强度因子.KIC和KIIC分别是材料的拉伸断裂韧度和剪切断裂韧度.     

简化脆性断裂裂尖模型及复合型断裂判据

通过对脆性断裂过程中开裂扩展机理的分析,提出一个新的简化脆性断裂裂尖模型,论证了裂尖荷载型式与裂尖断裂类型之间并不是惟一的对应关系,重新阐述和定义了裂尖处的应力强度因子和断裂韧度.通过对I型、II型及其复合型荷载作用下裂尖处应力场分析,提出了径向平面最大应力(M SRP)准则,认为在脆性断裂过程中,断裂方向由裂尖处径向平面上的最大应力所决定.分别针对I型、II型及I-II复合型荷载模式提出了裂纹断裂判断准则和开裂方向预测模型.通过推导得到了复合型荷载作用下严密完整的脆性断裂判据与裂纹开裂方向角的解析表达式,与有关脆性断裂试验结果进行的对比验证了所提出的模型及理论解的合理性.     

如何判断在各种加载下的断裂模式:Ⅰ型还是Ⅱ型

长期以来传统的断裂力学最为突出的误解是将剪切下的断裂误认为是Ⅱ型断裂.通过对Ⅱ型加载裂纹尖端的应力研究表明,在裂纹尖端周围同时有周边(拉或压)应力和剪切应力存在.对于脆性材料,当裂纹尖端的最大周边拉应力大于最大剪应力时,只有Ⅰ型断裂可能发生.Ⅱ型断裂试验及研究表明,Ⅰ、Ⅱ型断裂发生是有前提条件的.Ⅰ型断裂发生的前提条件是:1),fromax/fomax＜1,或2),fromax/fomax＞1,但fromax/fomax＜KIIC/KIC;Ⅱ型断裂发生的前提条件是:fromax/fomax＞1和fromax/fomax＞KIIC/KIC·fromax是裂纹尖端最大无因次剪应力强度因子,fomax是裂纹尖端最大无因次拉应力强度因子.KⅠC和KIJC分别是材料的拉伸断裂韧度和剪切断裂韧度.     

探析砂岩在轴对称条件下的分叉

不同应力状态下岩石材料的失稳断裂破坏一直是岩石力学与工程研究的重点。本文在对岩石进行平面应变、常规三轴基础上,采用非线性分叉理论对岩石在断裂失稳过程中的局部化分叉进行了研究。根据许多岩石工程处于平面应变状态的实际情况,自行研制了岩石平面应变仪,进行岩石平面应变实验,并将平面应变实验结果和常规三轴实验结果进行比较;为研究岩石材料弹性模量的应力敏感性,进行不同围压和不同应力水平下岩石的加卸荷循环实验;根据岩石的平面应变和常规三轴实验结果．建立不同应力状态下岩石非关联弹塑性本构模型,应用变形分又理论的声张量法推导了不同应力状态下的分叉条件。     

关于功能梯度材料反平面断裂问题的力学模型

讨论功能梯度材料裂纹板在剪切载荷作用下的反平面断裂问题。根据弹性力学基本方程、断裂力学有关知识，将弹性常数（剪切模量）依次设为任意函数、指数函数或幂函数，建立了各向同性、正交异性功能梯度材料板的反平面断裂模型，即一系列相关的偏微分方程边值问题。这对于功能梯度材料反平面断裂问题的研究具有一定的参考价值。     

幂硬化材料中平面应力Ⅱ型裂纹的弹塑性扩展

用应力展开式σｉｊ＝σ０η＾ＳΣ＾（∞，ｍ＝０）（ｍ）ｉｊ（θ）η＾ｍ（η＝ｈｌｎ（Ｒ／ｒ），ｈ为一常数）对幂硬化材料中平面应力Ⅱ型裂纹的准静态定常扩展作了裂尖附近场的渐近分析，重点研究了裂尖附近场解在ｎ→∞时的极限行为。为中心扇形区中的变形速度和流动因子，借助于按小参数ｓ作渐近展开，得到了主项的显式解析表达式。     

渗透压作用下压剪岩石裂纹损伤断裂机制

在研究渗透水压和远场应力共同作用下压剪滑移型岩石裂纹的起裂、扩展规律的基础上,考虑分支裂纹相互作用,建立压剪应力场和渗流场共同作用下岩石裂纹体的损伤断裂力学模型和考虑岩桥损伤所引起的附加应力强度因子演化方程,提出分支裂纹临界长度时裂纹尖端虚拟应力强度因子KI(LC)作为压剪岩石裂纹的损伤断裂贯通的破坏准则.研究结果表明:在既定裂纹分布下,分支裂纹尖端应力强度因子KI受侧压力系数λ、渗透压P、裂纹表面摩擦因数μ的制约;当轴向应力和裂纹面摩擦因数一定时,在低渗透压、侧向拉应力共同作用下,压剪岩石裂纹趋向于轴向贯穿破坏,而在高渗透压作用下会导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏.     

岩石Ⅰ、Ⅱ复合型断裂判据的研究

本文采用三点弯曲、四点弯曲的断裂试验方法对岩石的断裂韧性以及Ⅰ-Ⅱ复合型断裂判据进行了研究,得出了岩石的Ⅰ-Ⅱ复合型断裂判据:K_Ⅰ~2+AK_ⅠK_Ⅱ+BK_Ⅱ~2=K_(ⅠC)~2并将试验结果与最大拉应力(σ_(θ_(max)))理论和最小应变能密度因子(S(θ_(min)))理论进行了分析比较。     

Ⅲ型应力强度因子分析的Williams单元

基于反平面断裂是工程结构的一类重要断裂类型,利用常规单元或奇异单元分析Ⅲ型裂尖应力强度因子(简记为SIF)时存在诸多困难,首先建立Ⅲ型裂纹裂尖奇异区单元总体位移场的Williams级数表达式,利用普通有限元形函数建立奇异域子单元的局部位移场,然后根据总体场控制局部场的原则,建立裂尖奇异域分析的Williams单元,以直接确定Ⅲ型裂纹裂尖的SIF。在此基础上,研究Williams单元的径向离散因子、离散数和级数项这3个重要参数以及裂纹长度对裂尖SIF的影响,并给出这3个重要参数的建议值。研究结果表明:对于Ⅲ型裂纹应力强度因子,Williams单元具有很高的计算精度和效率。     

有限平面应变Ⅱ型裂纹尖端幂律塑性应力场全解

针对幂律材料、有限平面应变紧凑拉伸剪切(Compact Tension and Shear, CTS)试样,基于能量密度等效方法可得到CTS试样能量密度中值点的代表性体积单元(Representative Volume Element, RVE)的等效应力解析解,以该应力解作为特征应力因子,采用表征CTS试样Ⅱ型裂纹尖端应力场的三角特殊函数,提出了描述有限平面应变幂律塑性Ⅱ型裂纹尖端应力场的半解析模型以及用于描述Ⅱ型裂纹尖端扇贝轮廓式等应力线的理论解.本文Ⅱ型裂纹裂尖场模型对平面应变CTS试样裂尖应力场的预测结果与有限元分析结果密切吻合, Ⅱ型裂纹裂尖幂律塑性应力场模型完善了弹塑性断裂力学,并对剪切型断裂安全评价有重要工程意义.     

复杂应力状态断裂判据的讨论

结合对脆性材料常规破坏试验结果的分析,修正了脆性断裂强度条件,将新的强度条件用于解决复合型裂纹的断裂问题,认为应力三维度极大值处对应于裂纹的启裂位置,裂纹的启裂方向则与处的最大拉应力方向有关,给出了一个新的复合型断裂判据,利用铝合金平面应变断裂实验结果对新判据作了验证。     

Mooney-Rivlin材料Ⅰ型裂尖场的有限元分析

运用大型通用有限元软件ANSYS分析了平面应变情况下某橡胶材料Ⅰ型裂纹尖端的变形和主应力分布。数值结果表明：在裂尖附近不仅存在应力奇异性,而且变形存在扩张区与收缩区;较大的主应力σ1是拉应力,比另一个主应力σ2高约两个数量级,所以σ1对裂尖附近的变形起主导作用,其方向和裂纹方向接近垂直;在(R, )坐标系中观察应力奇异性,则扩张区与收缩区内σ1具有相同的奇异性。     

各向异性功能梯度材料板反平面断裂问题的力学模型

借助弹性力学理论、断裂力学知识及微积分方法，讨论各向异性功能梯度材料裂纹板在沿z轴方向剪切栽荷作用下的反平面断裂问题。将材料常数（刚度系数）设为空间变量Y的任意函数，建立了各向异性功能梯度材料板的反平面断裂力学模型，即一类偏微分方程边值问题。再将材料常数依次设为空间变量Y的指数函数和幂函数，建立了相应的反平面断裂力学模型，即一系列偏微分方程边值问题。这些模型是研究有关各向异性功能梯度材料板反平面断裂问题的一个出发点和理论基础，具有一定的参考价值。     

三轴压缩条件下单裂隙岩样裂隙扩展研究

为研究岩石中裂纹的起裂、扩展和破坏规律,采用PFC2D数值模拟软件结合室内试验对预制单裂隙岩样进行分析。结果表明：（1）当围压为7MPa时,以剪切-拉伸复合破坏模式为主;当围压为14MPa时,试样以“Y”型剪切破坏、单一斜剪破坏模式为主;当围压为21MPa时,试样以“X”型剪切破坏模式为主。（2）试样的破坏模式与围压的大小密切相关,当裂隙长度一定时,随着围压的增大,试样的破坏越明显;当围压一定时,随着裂隙长度的增加,裂纹扩展的规模越大。（3）随着裂隙长度的增加,岩样的峰值强度、弹性模量、起裂应力与损伤应力均呈下降趋势;随着围压的增大,各力学参数均增大,裂隙长度越大时更易诱发新生裂纹,试样强度特性降低。（4）剪切裂纹在整个模拟加载过程中占主导地位且数量始终占比较大;随着围压的增大,拉裂纹逐步占据主导地位,且当围压为21MPa,裂隙长度为39mm时,拉裂纹是剪裂纹的2.73倍;当围压一定时,随着裂隙长度的增加,拉裂纹占比也逐渐减少。     

用短棒试件测定岩石的动静态断裂韧度

采用自行设计的加载压头和粘接在V形切口短棒岩石断裂韧度试件上的2个半圆形钢片,实现了通过压头施加压缩载荷从而使裂纹尖端承受拉仲载荷的目的。用这种方法可测定岩石的断裂韧度。特别是可以在分离式霍布金生压杆装置上较方便地测定应力波加载时岩石的动态断裂韧度。研究了加载率对岩石断裂韧度等材料性能的影响,并给出大理岩动静态断裂韧度的测定结果。     

非晶合金材料的变形与断裂

系统地研究了不同非晶合金材料的拉伸、压缩变形与断裂特征,总结了不同非晶合金材料拉伸与压缩断裂的不对称性,在此基础上提出了一个新的参数α=τ0/σ0和统一拉伸断裂准则,将最大正应力准则、屈特加准则、莫尔-库仑准则和范米塞斯准则有机地统一起来．观察到具有剪切变形行为的非晶合金,其压缩塑性随样品的高径比减小而逐渐增加;提出了剪切带旋转机制来解释具有高塑性非晶合金材料压缩变形过程中剪切带的偏转,总结了钨丝和原位析出枝晶对非晶合金复合材料韧化效果的不同作用,讨论非晶合金材料压缩剪切断裂、劈裂和破碎的竞争关系,采用动态断裂理论解释了某些脆性非晶合金解理断裂表面上的规则纳米尺度断裂台阶的形成;提出了α=τ0/σ0是控制非晶合金发生剪切变形与断裂、劈裂以及破碎失效与否的本征参数．