基于XFEM的重力坝裂缝扩展路径的探讨

近年来,扩展有限元法被广泛用于处理不连续问题,因该方法克服了常规有限元法在模拟裂缝扩展时需不断的网格重划分及对裂纹面与单元边界一致性的要求而导致的繁琐计算和误差等缺点.用二维扩展有限元法模拟了带水平缝混凝土重力坝在水压作用下裂缝的扩展路径.首先,讨论了裂缝扩展增量对其路径的影响,然后研究了裂缝在不同高度和初始长度下的扩展路径.结果发现扩展增量对裂缝扩展路径方向影响甚微,但对大坝的位移影响较大;裂缝的高度和长度对其扩展路径影响均不大.     

高温后混凝土的裂缝张开位移

进行了高温后混凝土楔入劈拉法断裂试验,研究裂缝扩展全过程中裂缝口张开位移与裂缝尖端张开位移之间的关系.根据裂缝口张开位移-裂缝尖端张开位移曲线判断起裂荷载,并与采用荷载-裂缝口张开位移判断的起裂荷载进行比较,两者能较好吻合.采用两参数和铰链模型由实测裂缝口张开位移值计算裂缝尖端张开位移,并与试验尖端张开位移值进行比较,发现两参数模型更为准确.确定高温后混凝土楔入劈拉试件裂缝尖端张开位移与裂缝扩展长度的关系,两者呈指数关系.     

往复荷载作用下混凝土梁的断裂性能

为研究混凝土梁在往复荷载作用下的断裂性能,对带预制切口的混凝土梁进行三点弯曲试验,采用电子散斑干涉(ESPI)技术对梁表面进行全场测量。通过ESPI测量结果,得到裂缝尖端张开位移。分析结果表明:荷载—裂缝尖端张开位移曲线在混凝土试件梁裂缝起裂阶段,梁名义刚度不变;裂缝稳定扩展阶段,梁名义刚度逐渐降低到0,承载力达到最大;裂缝失稳扩展阶段,梁名义刚度降低为负值,此时裂缝发展迅速。ESPI位移图能够直观反映混凝土的裂纹扩展过程,在加载初期,干涉条纹极少,可认为材料处于弹性变形阶段;加载中期,干涉条纹逐渐增多,卸载后只有少部分形变能够恢复,可认为进入弹塑性变形阶段;加载后期,干涉条纹增加迅速,试件变形较大。裂缝张开位移曲线荷载值相等时,加卸载路径曲线的斜率(裂缝长度/裂缝张开位移)接近,但裂缝长度会随着加卸载历史有所改变。     

混凝土结构裂缝的动力稳定性损伤与断裂

为了得到裂缝尖端损伤产生、发展直至失稳扩展的规律,基于混凝土结构的Brooks损伤演变方程与Loland损伤演变方程,采用有限元软件Ansys,计算混凝土三点弯曲梁在冲击、周期、地震等动荷载作用下的应变;将有限元计算得到的裂缝口张开位移与已有实验结果进行对比分析,并将2种损伤演变方程应用于工程实例Koyna重力坝,建立坝体三维模型,计算地震荷载下的应变,分析其薄弱部位,研究坝体裂缝尖端损伤产生、发展直致失稳扩展的过程。结果表明:有限元计算得到的裂缝口张开位移与已有实验结果数据比较吻合,验证了模拟计算的合理性;结构对不同作用形式的动荷载响应相差很大,其中地震荷载对结构的破坏最显著;坝段在达到起裂损伤后稳定发展,随后达到失稳损伤,裂缝扩展,形成新的损伤区域;2种损伤模型的计算结果相差不大,损伤因子均随时间稳定增长,发展规律一致,说明2种模型均可用于动荷载下混凝土结构裂缝的扩展至失稳的计算和分析。     

重力坝开裂过程扩展有限元数值模拟

扩展有限元法(XFEM)是一种求解不连续问题的数值方法。它继承了常规有限元法(CFEM)的所有优点,在模拟裂纹扩展、界面、复杂流体等不连续问题时特别有效,近十多年得到了快速发展。介绍了XFEM的基本原理,给出了进行混凝土裂纹扩展分析的方法。利用XFEM模拟混凝土重力坝裂纹扩展,通过对比有、无裂纹情况下的重力坝应力分布,分析裂纹存在对重力坝应力场分布的影响;分析裂纹扩展受网格疏密程度的影响;计算在不同岩基弹性模量下裂纹的扩展方向。     

恒幅循环荷载作用下FRP加固桥梁疲劳寿命预测

在线性渐进叠加假定的基础上,理论推导了三点弯曲荷载下FRP加固桥梁应力强度因子的计算公式,并结合FRP加固桥梁疲劳裂纹扩展试验,分析了FRP加固梁裂纹的扩展行为,验证了裂缝口张开位移CMOD的经验公式可用于计算标准三点弯曲梁的裂缝口张开位移,进而计算断裂模型中梁的临界有效裂缝长度.利用线弹性断裂力学中应力强度因子对疲劳裂纹扩展进行定量描述,进而对FRP加固桥梁的疲劳寿命进行预估算研究.     

基于扩展有限元法的Koyna重力坝地震开裂过程模拟

为了模拟重力坝在强震作用下的破坏过程,利用扩展有限元框架下的分离裂纹模型描述混凝土中的裂纹扩展。该模型通过富集非连续位移模式使得对裂纹的几何描述独立于网格边界。利用动力扩展有限元法,提出了集中质量矩阵处理方案,并在通用软件ABAQU S上进行了嵌入。对印度K oyna重力坝在强震下的开裂过程,应用该方案进行了数值模拟。结果表明:用该方案求解非连续界面动力接触问题,既不损失精度,又能避免不稳定性。     

基于ABAQUS标准扩展有限元法的不良裂缝构型影响分析

在实际应用中,扩展有限元法分析裂纹问题存在总体刚度矩阵高度病态、矩阵奇异等问题,数值模拟没有实现分析结果与网格划分无关的理想要求.基于ABAQUS平台选取三点弯曲梁试验,引入离散弗雷歇距离对具有时程性的裂缝发展路径进行差异评价;分析标准扩展有限元法应用中与网格划分相关的不良裂缝构型对模拟结果的影响.结果表明:数值模拟时初始裂缝端点必须在单元边界处,避免削弱构件;不良裂缝构型会导致裂缝发展路径模拟失真,且随不良系数的减小失真情况加重;不良系数u要控制在0.25~1内;通过引入黏性阻尼可以提高数值模拟的收敛性和路径的准确性.     

混凝土坝裂缝失稳扩展判据

由于混凝土坝裂缝在失稳扩展前常发生亚临界扩展,难以测量混凝土坝裂缝尖端张开位移,且通过试验获得稳定的临界裂缝尖端张开位移比较困难,因此不能直接应用裂缝尖端张开位移理论分析混凝土坝裂缝失稳扩展.针对该问题,推导了裂缝开度与裂缝尖端张开位移之间的几何关系,通过类比建立了一个基于实测的裂缝开度δ的裂缝失稳扩展判据,提出了以统计学原理及小概率法确定判据中临界裂缝开度cδ的方法,并给出了确定临界裂缝开度cδ的具体步骤.研究表明,该判据具有一定的适用性和可操作性,能直接应用于大坝的安全管理.     

碾压混凝土拱坝诱导缝等效强度双参数断裂模型

对两种尺寸碾压混凝土三点弯曲梁进行了断裂试验,获得了荷载和裂缝口张开位移P-M全曲线及荷载和加载点位移P-δ全曲线,分析了碾压混凝土的断裂参数、临界有效裂缝长度和临界裂缝尖端张开位移等一系列空白参数.运用双K和双G断裂理论,分别建立了碾压混凝土拱坝诱导缝等效强度的非线性断裂模型和断裂能量分析模型,从非线性应力场和能量释放率角度明确了诱导缝的起裂、稳定扩展和失稳扩展的计算方法,对两种模型计算结果进行了相互比较,并用有限元和沙牌拱坝的工程实际观测值验证了模型的可靠性.给出了拱坝诱导缝的最佳布置间距、设置位置等.实践证明,该模型可提高碾压混凝土拱坝诱导缝的设计水平,且具有工程实用价值.     

基于扩展有限元的混凝土重力坝水力劈裂分析

利用扩展有限单元法在求解不连续问题上的独有优势,在裂纹面以水压力方式模拟水力劈裂荷载,以解决裂纹扩展时涉及裂纹面非线性和移动边界问题。针对某待建混凝土重力坝,通过ABAQUS软件建立粘聚力裂纹扩展模型模拟水力劈裂,采用上游超载静水压力模拟高水压作用,研究不同裂纹长度、角度及裂纹面水压力对裂纹扩展的影响。结果表明：在相同初始裂纹夹角和水压作用下,裂纹起裂方向与预置裂纹方向夹角值基本一致;预置裂纹与水平向夹角为45度时,裂纹扩展深度最浅;随着裂纹面水压力数值增大,坝踵预置裂纹逐渐向坝基底部扩展;随着坝体折断面预置裂纹长度的增加,预置裂纹尖端周围应力值逐步增大,坝顶和主裂纹最大张开位移也随之增大,最终形成一条主裂纹并不断地向下游坝基面进行扩展,结构承载能力逐渐降低。     

缝洞型碳酸盐岩近井筒裂缝转向模拟研究

缝洞型碳酸盐岩油气储层在非主应力方向上存在许多储集体,水力压裂开采技术产生的压裂缝传统的扩展模式为对称双翼扩展线性裂缝,此方式很难沟通大量存在于非最大主应力方向上的储集体。定向射孔并控制水力裂缝扩展路径是解决此问题的关键。本文通过定向射孔压裂起裂模型判断水力裂缝起裂,最大周向应力准则作为判断裂缝转向扩展的依据,结合顺北某油气田实测参数,利用Abaqus扩展有限元法对射孔方位角、水平地应力差、射孔深度、压裂液排量等影响水力裂缝近井筒转向扩展的因素进行数值模拟。结果表明：射孔方位角、水平地应力差是水力裂缝转向扩展的主要控制因素;射孔深度的影响受水平地应力差的控制;压裂液排量的大小对于水力裂缝转向扩展几乎没有影响。     

基于实测温度的拱坝裂缝稳定性分析

温度荷载作为拱坝的主要荷载,对拱坝裂缝的出现和稳定有很大的影响．因此准确的再现施工期温度场是对拱坝裂缝进行稳定性分析的前提条件．采用自适应遗传算法对某拱坝大坝混凝土的绝热温升参数进行了参数反演,采用反演后的绝热温升参数进行施工期温度场仿真分析．采用带拉断的Mohr—Coulomb破坏准则判断混凝土的开裂．裂缝出现后,概化出两组主要裂缝,采用线弹性断裂力学分析裂缝的稳定性．由于裂缝稳定性分析要求裂缝附近有较密的网格,基于兼顾计算效率和精度的考虑,采用子模型法处理裂缝部位．     

Determination of Concrete Fracture Parameters from a Three-Point Bending Test

The mechanical behavior within the processing zone of concrete material can be well described by the crack bridging performance. The material properties related to the crack bridging are cracking strength, tensile strength, and the stress-crack width relationship. In general, the cracking strength is lower than the tensile strength of concrete. Crack propagation is governed by the cracking strength. This paper presents a method to determine the above material parameters from a three-point bending test. In the experiment, a pre-notched beam is used. Corresponding values of load, crack mouth opening displacement, and load point displacement are simultaneously recorded. From experimentally determined load-crack mouth opening displacement curves, the above-mentioned crack bridging parameters are deduced by a numerical procedure. The method can be used to evaluate the influence of coarse aggregate and cementitious matrix strength on the stress-crack width relationship, tensile strength, and fracture energy of concrete.     

利用水平外力总功研究PVA纤维增强水泥基复合材料韧性

为了研究对比PVA纤维、玻璃纤维、钢纤维水泥基复合材料和高强(钢纤维)混凝土的韧性,采用楔入劈拉法利用荷载与裂缝张口位移曲线(P-WCMOD)下包围的面积值并考虑夹具影响后水平外力做的总功作为评价指标进行对比.实验结果表明:水泥基体发生脆性断裂,从加载到试件破坏P-WCMOD曲线一直呈线性;高强(钢纤维)混凝土和钢纤维、玻璃纤维水泥基复合材料发生半脆性断裂,P-WCMOD曲线在峰值荷载附近有较小的非线性区;而在PVA纤维增强水泥基复合材料(PVA-FRCCs)中观察到韧性断裂,在P-WCMOD曲线中出现明显的假应变硬化现象;脆性和半脆性材料的试件从起裂到破坏,预制缝端部仅出现一条裂缝,且最终沿这条裂缝贯通,对于PVA-FRCCs,预制缝端出现多条细小裂缝,并最终沿着主裂缝贯通.比较几种材料的水平外力总功值可知,PVA-FRCCs韧性最好,钢纤维混凝土次之,钢纤维水泥基复合材料稍差,玻璃纤维水泥基复合材料最差.     

一种模拟岩体裂纹扩展的三角单元网格开裂技术

基于三角网格的几何特征,提出一种利用有限元方法模拟岩体裂纹扩展的三角单元网格开裂技术。该方法选取三角网格进行单元离散,采用远场围线积分计算裂尖应力强度因子,由最大周向应力准则确定裂纹扩展方向,最后通过开裂单元的网格分裂或节点移动,实现裂纹扩展的数值模拟。以有限宽中心裂纹板、曲线翼型裂纹扩展和含孔洞多裂隙岩体的裂纹扩展为例进行模拟验证。结果表明:在该方法中,裂纹可以直接劈开一个单元,或沿单元边界扩展,因此裂纹能够不受初始网格的限制沿任意路径扩展;与现有的网格重构算法相比,该方法只须对裂尖局部单元进行网格开裂或节点移动,更加简便、高效,该方法还具有较好的适用性,能够准确模拟拉伸、压剪等复杂应力状态下的裂纹萌生和扩展。     

位移不连续边界元法解多裂纹体的裂缝扩展

研究了用位移不连续间接边界无法解多裂纹体的裂纹扩展。由迭加原理，可分离出任一单个裂纹面在无限大板中的虚拟应力，从而求出有限或无限域中各条裂纹的应力强度因子值。文中提出一种与裂纹扩展相对应的方程组解法，当裂纹逐步扩展时，该解法不需重新形成和分解整个控制方程组，方程组的全部计算量大致等于一次方程组的求解及ｎ次回代（ｎ为裂纹扩展步数），因而大大减少了计算时间。多裂纹体的裂缝扩展研究为重力式碾压混凝土坝仿真破坏过程研究提供了条件。