岩石SHPB劈裂分析理论研究

为了分析岩石在冲击载荷下的动态劈裂破坏情况,通过分析巴西圆盘在动态劈裂和静态劈裂时表面应力分布均匀化的相似性,可以将静态劈裂时的弹性理论应用到动态劈裂当中,得到巴西圆盘在动态劈裂下的动态抗拉强度、动态抗压强度、应变率和应变的计算公式.应用三维非线性动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA,模拟巴西圆盘在分离式霍布金逊压杆实验装置上受冲击时动态劈裂的整个实验过程.基于动态抗拉强度公式和动态抗压强度公式,对试件的实际拉应力曲线与计算拉应力曲线进行对比,以及对实际压应力曲线与计算压应力曲线进行对比,通过对比曲线的相互吻合性证明数值模型适用于对岩石冲击劈裂破坏性质的研究.通过分析试样表面的应力均匀化过程以及试样表面对心压缩轴线上拉应力方向的应力分布情况,得出试样在对心压缩轴线表面上的破坏顺序是由从两个冲击端部向中心发展的;通过分析试样沿对心压缩轴线所切剖面上的拉应力分布,得出试样在厚度方向上的破坏顺序是由表面向内部发展的.     

侵彻裂纹扩展的高速三维数字图像方法分析

为研究一种使用线性射流的侵彻作用对工程爆破大块岩石控制劈裂的技术,设计了爆炸聚能作用下混凝土试件劈裂试验,使用高速3D DIC（高速三维数字图像相关方法）测试并分析了应变集中特征与劈裂裂纹扩展形态的关系.结果表明：横向拉应力劈裂裂纹扩展的主要作用力,应变呈现波动性的变化,容易使试件的上部产生局部破碎;线性射流对劈裂裂纹扩展方向具有较强的引导性,试件劈裂均呈现对称形态,应变集中带形状及分布位置决定了裂纹扩展路径及趋势;试件被测表面的应变在10²量级之下,低应变可降低试件破损程度,应力集中作用将最大主应变方向变化控制在±15°之内.     

弯应力作用下混凝土结构水力劈裂试验研究

混凝土重力坝坝踵在运行期间易出现拉应力,是坝体的薄弱区域。为研究该区域的水力劈裂问题,采用四点弯曲弯矩+高水压的联合施载方式,模拟混凝土重力坝坝踵受拉状态下的水力劈裂破坏过程。基于不同弯矩与水压值组合,研究坝踵因施工应力出现初始裂缝情况下的水力劈裂问题。结果表明,裂缝发展过程中,混凝土试件的应变可分为线性段及指数段,当应变进入指数段时,试样临近破坏;较小的荷载增量即会打破稳态,促使裂缝失稳扩展;劈裂水压与拉应力存在叠加效应,若最值作用位置相同,裂缝尖端应力集中现象明显,易引起水力劈裂破坏,若作用位置不同,则受拉截面应变分布较均匀,较大限度地发挥了混凝土受拉截面的抗劈拉能力,减弱了水力劈裂作用。     

基于计算机层析识别的沥青混合料有限元模型

应用数字图像处理技术，结合有限元建模方法，建立了包舍集料、空隙和胶浆在内的沥青混合料有限元模型，并模拟研究了沥青混合料劈裂试验过程中，由于空隙分布、加载方向以及集料与胶浆模量比等指标的变化对沥青混合料内部微观力学特性的影响，发现沥青混合料中空隙与集料颗料的分布对最大拉应力分布有很大影响，集料与胶浆模量比的变化则只影响最大拉应力值的大小而不影响其出现的位置。结果表明，该方法可进一步推广应用于不同条件下沥青混合料微观力学响应仿真。     

沥青混合料间接拉伸试验的数值模拟

为了阐释沥青混合料间接拉伸试验中马歇尔试件对荷载的动态响应规律,利用离散元方法(二维)数值模拟了马歇尔试件的间接拉伸试验过程。采用伺服控制机理对不同粒径的试件施加荷载,给出了颗粒间的接触力、颗粒的位移矢量及产生的裂缝数,得到试件的劈裂强度;对不同加载速率下试件的响应进行数值模拟,得出加载速率与劈裂强度的关系;选取一种粒径范围的试件,分析了试件中产生的裂缝随时间的发育和分布,再现了裂缝延伸的动态过程。结果表明:裂缝主要分布于加载方向试件直径的两侧,随着粒径的增大,劈裂强度增大,增长率最大为39.3%;裂缝数由最小粒径试件中的98条减至最大粒径试件中的6条;加载速率与劈裂强度呈对数增长关系。     

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 ,解析方法可以用于计算断裂韧性 ;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     

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 .     

弯曲荷载下腐蚀介质SO42-、Cl-在混凝土中的分布规律

分析了混凝土试件在弯曲荷载作用下各部位的应力大小和受力状态,并研究了腐蚀介质SO42-、Cl-在混凝土试件中的分布规律.结果表明:在扩散距离相同的混凝土层中,纯弯区部位的SO42-、Cl-含量大于弯剪区;拉应力层中的离子含量大于压应力层;弯曲荷载下混凝土试件受应力破坏最严重的部位为纯弯区拉应力层,该层中SO42-、Cl-含量最大;荷载作用下,不仅渗透进入混凝土中的SO42-、Cl-的量增加,离子的分布规律也发生改变,离子含量由对称分布改变为从压应力表层至拉应力表层呈"√"型分布,至压应力第3层或第4层(中性层)下降至最低,在拉应力表层离子含量最大.     

热应力对金属棒料内部损伤的机理研究

针对棒料热应力变频振动的下料方法,建立了带V型槽棒料在分段强制冷却过程中的热力耦合模型,利用ANSYS有限元软件,获得了棒料在强制循环水冷却过程中内部应力场的分布.数值模拟结果表明,棒料内部最大拉应力点位于V型槽尖端正下方0.34 mm附近,该处的轴向拉应力已超过材料的强度极限,在V型槽所在棒料断面上靠近尖端点处产生一条环形损伤带,在水流速度下,该损伤带随着绝热边界宽度的增加先增大后减小,存在一个大约2 mm宽的最佳绝热边界,可使损伤的程度达到最大.在等绝热边界宽度下,损伤带随着水流速度的增加逐渐地增大,当水流速度大于5 m/s时,对棒料的内部损伤较小.实验结果表明,有热应力作用比无热应力作用的棒料下料时间减少了15%以上,从而验证了热应力损伤对棒料下料作用的有效性.     

点载荷作用下煤岩体的破坏特性

为了了解点载荷作用下岩石的破坏特征,通过理论分析和数值模拟对点载荷作用下岩石破坏特征进行分析,得出点载荷作用下的应力分布规律,在加载点周围岩石所受的力接近压应力,但在距加载点一定距离以外的范围内,岩石受到了垂直加载轴方向的弹性拉应力,其在试件内部分布均近球状。试件的形状对其应力分布影响不大。最后分析了点载荷作用下岩石破坏机理.     

剪切荷载作用下方孔应力集中问题的解析解

用解析的方法对孔口的应力集中问题进行研究,讨论在剪切荷载作用下矩形小孔附近的应力分布情况。首先建立剪切荷载作用下带矩形小孔薄板的能量方程,并把小孔看作外部荷载之一,从而得到具有循环周期性的有限元方程。然后采用U变换法对能量方程进行解耦。U变换法是一种能对循环周期结构进行精确分析的解析方法,应用该方法可以得到矩形小孔附近各点位移的解析形式解,进而对各点应力进行分析,得到应力集中系数。     

循环冲击载荷作用下砂岩破坏模式及其机理

利用岩石动静组合加载SHPB试验装置对不同静载砂岩试件进行循环冲击试验,研究其破坏模式.在研究岩石试件界面摩擦力的基础上,对不同静载作用下岩石试件的应力状态进行分析.研究应力波斜入射到微裂纹时的作用效应,探索具有一定静载的岩石在循环冲击作用下的破裂机理.研究结果表明:对具有三轴静载的试件,应力波在其最大剪应力所在平面进行斜入射时优先破坏.在循环冲击载荷作用下,具有轴向静载的岩石在破坏过程中具有明显的端部效应,而没有轴向静载的岩石则没有端部效应;静载荷的组合形式对岩石在循环冲击作用时的破坏模式影响较大;无静载荷作用时,岩石在循环冲击时逐步破坏成几块,破裂面平行于纵向面,属于张应变破坏;只有轴向静载作用时,岩石试件第1次破坏形成共轭双曲线型破裂面,进而在入射界面处发生破坏,破坏都属于张剪破坏;具有三轴静载作用时,由于轴向静载的不同,岩石最终破坏成圆锥台、圆锥体和V型锥体,破坏属于拉剪破坏.     

冲击荷载下平行双裂隙演化的颗粒流分析

为了研究冲击荷载下平行双裂隙对岩石破坏的影响,采用二维颗粒流程序对分离式霍普金森杆一维冲击试验进行模拟。对预制平行双裂隙倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°和完整的花岗岩试样进行冲击加载模拟,全面研究了平行双裂隙试件裂纹的萌生、扩展、贯穿的过程。结果表明:在冲击荷载的作用下,平行双裂隙明显降低了岩石强度。裂隙存在时,裂隙倾角与加载方向一致时,试样峰值强度和起裂强度均达到最大,呈劈裂拉伸破坏模式,在倾角为45°左右达到最小值,呈拉剪复合破坏模式。预先存在缺陷的倾角对裂纹萌生和扩展模式有很大影响。对应力场分析,平行双裂隙对应力波的传播产生阻碍,在岩桥区域变化最为明显。     

斜向水平荷载作用下钢筋混凝土柱受剪承载力有限元分析

为研究钢筋混凝土框架柱在斜向水平荷载作用下的受剪承载力和破坏机理,采用混凝土三维亚弹性正交各向异性本构关系模型(既适用于比例加载又适用于非比例加载)和旋转型弥散裂缝法(旋转裂缝垂直于主拉应变方向),应用非线性有限元法进行分析,并与试验值进行了比较.结果表明:计算值与试验结果吻合较好;斜向水平荷载作用方向对矩形截面不等肢配箍钢筋混凝土框架柱受剪承载力的影响符合椭圆规律.     

超高温条件下花岗岩力学性质演化规律模拟研究

为提高深层干热岩破碎效率,以干热岩地层常见岩性-花岗岩为研究对象,提出超高温条件下花岗岩力学性质演化规律研究。鉴于室内实验方法的局限性,主要采用数值模拟和理论计算等研究方法,建立了高温花岗岩巴西圆盘劈裂数值模型,探究了硬质花岗岩在温度-压力联合作用下岩石应力场分布特征与扰动机制。研究发现:在单轴径向压缩载荷下,高温花岗岩各向应力分布受到显著扰动,岩石沿横轴拉伸应力、两端载荷施加位置附近压缩应力和剪切应力均显著减小,导致裂纹越容易扩展。温度越高,岩石损伤越明显,其岩石抗拉强度越低。研究结果揭示了温度作用下花岗岩力学性质演化规律,可为深层干热岩资源的高效开发提供理论依据。     

熔接型聚丙烯土工格室拉伸特性试验研究

土工格室的强度取决于条带强度和节点强度，同时条带生产工艺和节点连接方式对土工格室强度也有一定的影响。通过对拉伸型聚丙烯(Polypropylene，PP)土工格室条带和热熔焊接型节点进行室内单轴拉伸试验，研究试样形状（哑铃形、窄矩形、宽矩形）和试样宽度对PP土工格室条带强度及拉伸变形特性的影响，并比较不同受力状态下熔接节点的失效模式及强度大小。结果表明，3种形状试样的抗拉强度及伸长率从大到小均为宽矩形、哑铃形、窄矩形，试样宽度对PP土工格室条带拉伸性能的影响显著大于试样形状，熔接节点依托于PP条带下的拉伸力学性能表现良好，熔接节点在不同受力状态下的强度从大到小为剪切强度、对拉强度、剥离强度。试验结果可为土工格室的生产、应用以及加筋加固机理的研究提供参考和借鉴。     

蓖麻蒴果力学特性的有限元分析

以淄蓖麻五号为研究对象,对蓖麻蒴果断面形状及结构特点加以描述和测量,并应用有限元分析方法对蓖麻蒴果在压载作用下顶部和中部的应力分布进行分析,建立了蓖麻蒴果几何模型和有限元模型.研究结果表明:蓖麻蒴果果壳破裂的主要原因是由最大拉应力引起果壳破裂.顶部压载荷作用时,最大拉应力的位置在蒴果果柄顶部中缝处,拉应力引起中果皮内面产生裂纹;而中部压载荷作用时,最大拉应力的位置出现在蒴果中果皮中缝的两端,拉应力也引起中果皮四周角靠近直线处的内面产生裂纹.     

花岗岩在微波照射下的损伤研究

基于采用微波能量预先弱化岩石的方法可以有效的降低岩石强度这一理论。本文先通过对花岗岩试件进行一定条件下的微波照射及劈裂试验,再利用ANSYS软件建立简化的二相岩石模型,模拟不同功率密度和照射时间下模型内部的温度分布和应力分布。结果表明：一定功率下,随着微波照射时间的增加,花岗岩试件抗拉强度逐渐降低,降低速度先快后慢,存在一个最佳照射时间范围。而采用高功率密度和短时间的微波照射时,模型内部的温度梯度增大,更易产生较高的温度应力,造成岩石损伤。模拟结果与试结果基本吻合,为微波辅助机械破岩技术提供一定的参考价值。     

C型环环向应力与加载载荷的公式推导与验证

基于任意C型环试样结构尺寸及其力学关系,建立了C型环内任意截面的力学模型,根据材料力学基本理论,推导出了其外壁和内壁任意一点环向应力与C型环试样加载位移、加载载荷之间的理论计算公式。为了验证本文推导的理论公式的正确性,建立了C型环试样的有限元计算的力学模型,当某试验要求C型环试样最大环向拉应力为650 MPa,对油管外径88.9 mm的C型环试样,通过有限元法和本文推导的理论公式对该结构工况进行计算和对比分析,得出有限元法和理论公式计算出需要施加的载荷和位移的误差分别为-1.82%和1.25%,证明推导文中推导的理论公式的正确性,为C型环硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）和应力腐蚀开裂（SCC）实验加载参数的确定提供了简便的计算方法。     

混凝土薄壁筒桩水平受力机理

对混凝土薄壁筒桩的水平承载能力按规范方法进行了现场试验,并用三维非线性有限元对其在水平荷载分级作用下桩体的变形、应力,钢筋应力及土体对桩体的水平反力等的变化规律进行了分析研究,两者结果相互验证．有限元分析中考虑了不同材料的材料特性、变形特性及桩与混凝土之间的相互作用．研究结果表明混凝土薄壁筒桩在水平荷载作用下表现为受弯混凝土构件的特性,在一定的地基条件下其承载能力主要取决于混凝土和钢筋的抗拉强度;同时表明用文中的方法分析混凝土薄壁筒桩的水平承载能力是可行的．