裂纹宽度对岩石断裂韧性测试结果的影响

深部地层岩石的断裂韧性是水力压裂设计和数值模拟中的一个重要参数。通过试验分析和有限元数值计算，研究了试件的裂缝宽度对应力强度因子的影响，给出了确定无因次应力强度因子与裂尖半径关系的数值方法，弥补了解析方法的裂缝宽度对应力强度因子的影响，给出了确定无因次应力强度因子与裂尖半径关系的数值方法。弥补了解析方法中裂缝零宽度假设的不足，研究结果表明，当裂缝宽度较小时，解析方法可以用不动声色计算断裂韧性；当裂缝宽度较大时，采用解析方法计算出的断裂韧性偏差较大。试验测定时，应使裂尖半径尽可能小，并且破裂压力应该与裂尖半径相对应，这为正确确定岩石的断裂韧性提供了可靠的理论依据和试验方法。     

水力压裂中多裂缝间相互干扰力学分析

将复变函数理论与位错理论相结合 ,在考虑了裂缝表面有流体压力作用且裂缝间存在相互干扰的情况下 ,建立了无限大介质中裂尖应力强度因子的数学模型 ,利用该模型可对水力压裂中多裂缝间的相互干扰进行力学分析。假设裂缝沿着垂直于局部最大周向拉应力方向扩展 ,应用数值方法对所建立的数学模型求解 ,得到裂尖的应力强度因子及转角。数值计算结果表明 ,裂缝间存在相互干扰时所产生的剪切应力强度因子远远小于法向应力强度因子。当两个裂缝尖端垂向距离为零时 ,法向应力强度因子达到最大值。两个裂缝尖端没交叠之前裂缝基本沿着轴线扩展 ;当尖端交叠面积较小时 ,两裂尖偏离自己的轴线向避开对方的方向扩展 ;当尖端交叠面积较大时 ,两裂缝向靠拢对方的方向扩展 ,最终将贯通在一起     

Ⅰ型裂纹尖端圆弧对应力强度因子影响的数值研究

应力强度因子表征了裂纹尖端奇异应力场的强度,它是研究裂纹扩展规律和带裂纹构件强度的基础。采用有限元法,对受均布荷载作用存在边缘Ⅰ型裂纹的平面板进行了数值分析。研究了裂纹尖端圆弧对应力强度因子的影响,分别计算了具有不同裂尖圆弧r_0的Ⅰ型裂纹的应力强度因子。采用应力法计算不同半径处的表观应力强度因子,插值到裂尖圆弧而得。根据计算结果,绘制K_Ⅰ-r_0曲线,利用最小二乘法拟合至尖裂纹(r_0=0)即得理想尖裂纹的应力强度因子,与解析解相差仅0.7%。该曲线为带圆弧裂纹的应力强度因子测试和带圆弧裂纹构件强度计算提供了依据。     

Ⅰ型裂纹尖端圆弧对应力强度因子的影响

应力强度因子表征了裂纹尖端奇异应力场的强度,它是研究裂纹扩展规律和带裂纹构件强度的基础。本文采用有限元法,对受均布荷载作用存在边缘Ｉ型裂纹的平面板进行了数值分析。研究了裂纹尖端圆弧对应力强度因子的影响,分别计算了具有不同裂尖圆弧 的Ｉ型裂纹的应力强度因子。采用应力法计算不同半径处的表观应力强度因子,插值到裂尖圆弧而得。根据计算结果,绘制KⅠ-r0曲线,利用最小二乘法拟合至尖裂纹（r0=0）即得理想尖裂纹的应力强度因子,与解析解相差仅0.7%。该曲线为带圆弧裂纹的应力强度因子测试和带圆弧裂纹构件强度计算提供了依据     

水力压裂中多裂缝间相互干扰力学分析

将复变函数理论与位错理论相结合，在考虑了裂缝表面有流体压力作用且裂缝间存在相互干扰的情况下，建立了无限大介质中裂尖应力强度因子的数学模型，利用该模型可对水力压裂中多裂缝间的相互干扰进行力学分析。假设裂缝沿着垂直于局部最大周向拉应力方向扩展，应用数值方法对所建立的数学模型求解，得到裂尖的应力强度因子及转角。数值计算结果表明，裂缝间存在相互干扰时所产生的剪切应力强度因子远远小于法向应力强度因子。当两个裂缝尖端垂向距离为零时，法向应力强度因子达到最大值。两个裂缝尖端没交叠之前裂缝基本沿着轴线扩展；当尖端交叠面积较小时，两裂尖偏离自己的轴线向避开对方的方向扩展；当尖端交叠面积较大时，两裂缝向靠拢对方的方向扩展，最终将贯通在一起。     

基于分形方法的水力压裂裂缝起裂扩展机理

利用分形几何模型描述岩石断裂裂纹的曲折形态,建立了裂纹分形模型下的岩石应力强度因子表达式。在此基础上,以裸眼井为例分析了井底岩石的起裂压力,并建立了考虑裂纹分形扩展的缝内压力计算模型和裂缝宽度方程。理论分析结果表明,岩石扩展路径的曲折程度对模型的计算结果影响较大,考虑裂纹分形扩展后的模型计算数值大于直线型扩展的计算结果,且考虑裂纹分形模型与直线型模型的裂缝宽度计算值之比随着断裂面分形维数的增大而增大。     

双轴压缩下闭合裂纹应力强度因子的解析与数值方法

采用"裂纹线应力场"分析方法,推导双轴压缩下有限岩板内闭合裂纹尖端应力强度因子的近似解析解,分析裂纹表面摩擦因数、侧压系数对裂尖应力强度因子的影响;运用有限元法对同一问题进行数值研究,并与解析解进行比较.研究结果表明:在岩体工程要求的精度之内,采用"裂纹线应力场"分析方法与有限元法这2种方法得出的结果基本吻合;裂纹长度a与岩板宽度W之比对裂纹尖端的应力强度因子有影响,按无限岩板情况计算裂纹尖端应力强度因子,其适用范围应有一定上限,即a/W≤0.2;当a/W>0.2时,应当考虑实际岩板的自由边界条件对裂纹尖端场的影响.     

隧道周边共线径向双裂纹的应力强度因子数值分析

隧道周边围岩结构复杂,如节理、地裂缝等,势必会对隧道的安全造成一定的负面影响。利用Abaqus软件,对双轴压缩情况下,隧道穿过不同位置的地裂缝的情况进行了数值模拟,分析研究了裂缝倾角α、裂缝长度l以及隧道侧压力系数λ对两个裂纹尖端应力强度因子及隧道稳定性的影响。结果表明:(1)裂纹倾角、裂缝长度、侧压力系数对裂尖应力强度因子的影响明显,隧道周边径向双裂纹大大削弱了隧道的强度及稳定性;(2)由于隧道构形的影响,上下两裂尖的应力强度因子分别在倾角为45°和52°达到最大值,需要特别注意在裂纹倾角45°~52°附近隧道的安全性;(3)侧压力系数在0.8~1.2范围内有削弱裂纹尖端应力集中的作用,有利于隧道的安全性;(4)当裂缝长度与隧道宽度比例超过5倍时,应主要考虑裂缝对隧道安全性的影响。     

中心裂纹圆盘裂纹形状尺寸对应力强度因子的影响

采用有限元数值分析方法 ,分析了由脆性材料制成的中心裂纹圆盘试件 ,在复合模式加载条件下裂纹形状尺寸 ,尤其是裂纹宽度和中心小孔半径对应力强度因子的影响 .结果表明 :槽式和槽孔组合式裂纹圆盘试件 ,其I型无量纲应力强度因子FⅠ均比按理想裂纹推出的解析解大 ,而Ⅱ型无量纲应力强度因子FⅡ 均比解析解小 ;随着加载角度增加 ,FⅠ 的数值解与解析解的差值逐渐变小 ,而FⅡ 的差值逐渐变大 ;同时 ,随着裂纹槽宽度或中心小孔半径的增加 ,应力强度因子数值解与解析解之差逐步增加 .依据数值分析的结果 ,给出了这两类试件相对于理想中心裂纹圆盘试件应力强度因子解析解的修正公式 .     

石子砂浆界面裂缝发展的实验和仿真研究(英文)

用解析数值方法来确定复合材料内部裂缝发展和外载的定量关系直至破坏阶段，为了确定复合材料裂缝的扩展就需要比较各方向的应力强度因子和相应的断裂韧性并寻找出最弱面。由于裂缝扩展的实验参数保持固定（按工程精度），则数值预测和实验结果吻合良好。对混凝土内部裂缝和宏观力学特性的定量规律研究为混合体强度估算和混凝土力学性能改进提供了新途径。该数值方法也适用于界面裂缝通向沙浆的分析。     

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.     

水力压裂的能量平衡与断裂韧度

通过对常用水力压裂模型中忽略岩石断裂韧度效应这一现象的讨论,给出了全面考虑水力压裂中各种影响因素的能量平衡方程,并由此建立了通过水力压裂实验直接确定岩石视在K_(1c)值的方法。最后通过对影响岩石视在断裂韧度因素的讨论,论证了水力压裂法确定的岩石视在K_(1c)值大大地大于标准3点弯曲实验值的必然性。     

残余压应力对低合金高强钢热预应力增韧效应的影响

通过对三点弯曲预制裂纹试样在室温下 (2 0℃ )预加载 -卸载 -冷却至 - 1 96℃或 - 1 30℃下断裂 (LUCF) ,以及加载 -冷却至 - 1 96℃或 - 1 30℃下卸载 -断裂 (LCUF)的预应力循环试验 ,测定了其宏微观力学参数并计算了裂纹尖端应力、应变和三向应力度的分布 ,模拟了在相同裂纹钝化半径下没有残余压应力的直接冷却断裂行为 (CF)与有残余压应力的 WPS循环 (LUCF)的断裂行为并进行比较 ,研究了残余压应力对低合金高强钢预裂纹试样 WPS增韧效应的影响 .结果表明 :残余压应力对低温断裂韧性的提高在不同的终断温度下的作用不同 ,- 1 96℃下断裂时有增韧作用 ,其作用是抵消了一部分低温断裂再加载时的正应力 .同时 ,残余压应力通过减缓三向应力度随外载增加而增加的速度对 - 1 96℃断裂时的增韧起作用 .- 1 30℃下残余压应力作用不明显 ,并且对低温断裂时裂纹的钝化有拘束作用 .     

材料线弹性断裂力学的断裂准则研究进展

 断裂准则在预测含裂纹材料发生破坏的时间、位置和裂纹扩展路径等方面具有重要意义。重点总结了线弹性材料中裂纹的断裂准则，阐述了应力强度因子准则、最大能量释放率准则、最大拉应力准则、最大拉应变准则、最小应变能密度准则等常用的断裂准则理论及其现状，以及这些准则的优点和局限性；基于常用断裂准则对应力分量和临界半径考虑不足，归纳了国内外学者提出的修正断裂准则，包括考虑T应力（非奇异项）和可变临界半径rc的影响。分析了断裂准则在岩石和混凝土脆性材料中的应用，针对基于断裂准则预测其破坏行为时存在的难题，建议将裂纹尖端应力场的高阶项T应力引入断裂准则，能更准确地预测裂纹的扩展路径与偏转角。     

关于某些断裂力学问题分析方法的探讨

本文对裂纹问题提出了一组方案。对于弹性裂纹问题,本文推广了钱伟长在奇异项上叠加普通有限元的方法,使之可用于Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅰ、Ⅱ混合型裂纹的应力强度因子的计算;对于弹塑性裂纹问题,本文给出了一种求解平面应变Ⅰ型裂纹近似解析解的方法。     

脆性材料在双向应力下阻力特性数值模拟

应用一个材料失效分析模拟软件MFPA2D模拟了玻璃在平面双向应力下不同破坏失稳过程,重点研究了平行于裂纹面的应力对脆性材料临界断裂参数的影响,运用数值模拟和试验及理论分析相结合的方法,阐明脆性材料在双向和单向应力下断裂参数的区别等问题.研究结果证明,双向应力对断裂韧性有明显影响,平行于裂纹面的拉应力对裂纹扩展有抑制作用,压应力对裂纹扩展有促进作用.因此,线弹性材料在双向荷载作用下,传统的应力强度因子准则不适用,裂纹扩展由裂纹尖端应变决定,即双向应力下裂纹扩展具有应变依赖性.     

20g钢断裂性质的研究

本文实验测试了预应变对20g钢断裂韧性的影响.在弹塑性有限元数值分析的基础上,讨论了裂纹尖端张开位移与最大应变间的关系及预应变量ε_p对临界断裂应变的影响.同时,在Rice-Tracey空穴扩张模型的基础上,探讨了裂纹前方空穴形成的原因及主裂纹扩展的条件,分析了预应变量ε_p对20g钢断裂性质的影响.     

分形裂纹的断裂参数

基于分形几何学,推导了含Ⅰ型分形单裂纹的无限大平板在单向受拉时的临界开裂应力、断裂韧性、裂纹扩展力和断裂能的理论公式.以标准Koch分形曲线构造裂纹的边界,并由分形区域周长与面积的关系推导出平板的弹性应变能.利用Griffith断裂准则得到材料开裂的临界应力,并在此基础上给出了断裂韧性、裂纹扩展力以及断裂能的表达式,从而将G判据推广到分形裂纹情形,并对其进行数值计算以分析各参数的影响.结果表明:材料的断裂韧性与裂纹长度呈反向关系;裂纹的量测尺度将影响断裂韧性与分形维数的关系;裂纹越粗糙、长度越长,材料的断裂能越大.文中还证明了裂纹扩展的非光滑性.     

碳化物粒子尺寸对裂纹断裂韧性的影响

通过对铁素体晶粒尺寸相同、碳化物粒子尺寸不同的两种低合金钢ＣＯＤ裂纹试样断裂韧性的测试，宏微观断口和力学参数的测量，结合断口、金相观察分析，对碳化物粒子尺寸对裂纹断裂韧性的影响及其机理进行了研究．结果表明：在裂纹试样的解理断裂中，临界事件是碳化物粒子尺寸的微裂纹扩展进入铁素体基体．碳化物粒子尺寸在决定局部断裂应力。ｆ和有关的韧性参数中起决定性作用．在铁素体晶粒尺寸和屈服应力相同的条件下，大碳化粒子尺寸的材料具有低的裂纹断裂韧性．     

A105钢振动焊接接头的断裂韧度分析

采用阀门用钢A105为试验材料,机械振动焊接与常规埋弧自动焊相结合的对比试验方法,通过残余应力的测试结果可见,振动焊接消除了熔合线附近的应力峰,应力幅值低、分布平缓.从断裂力学的角度分析机械振动对焊接接头韧度的影响,结果表明:焊缝的断裂韧度明显大于热影响区(HAZ);振动焊接工艺下焊缝和HAZ的CTOD(Crack tip opening displacement)值明显高于常规焊接下焊缝和HAZ的CTOD值;且振动焊接使得焊接接头的各部分之间断裂韧度的差别明显缩小,断裂韧度更趋均匀化.经断口的扫描电镜观察可知:振动焊接下焊缝的韧窝密度明显大于常规焊接下焊缝的韧窝密度,且HAZ为整个焊接接头的薄弱环节.