冲击荷载下含裂纹缺口三点弯动态断裂实验

为研究缺口大小对含裂纹缺口构件动态断裂的影响,采用动态光弹性实验方法,对含裂纹缺口试件进行了冲击实验.基于冲击断裂过程中试件的等差条纹变化图片和动态应变仪采集的应变数据,分析了冲击荷载下裂纹尖端的动态应力强度因子、裂纹扩展速度和锤头应变的变化规律.结果表明:不同缺口角度试件受到冲击荷载后,应力强度因子的变化随时间变化的趋势基本一致,应力强度因子的峰值随角度增大而增大,应力强度因子的峰值在缺口角度大于90°后增大更显著;锤头应变都表现出先压缩后拉伸然后逐渐震荡趋于平缓的变化规律,当缺口角度大于90°时,锤头的最大压应变增长趋势显著增加;不同缺口角度试件的裂纹扩展速度随时间变化规律基本一致,但当缺口角度大于90°之后,试件的起裂时间显著延长.由此得出结论:当缺口角度对含裂纹缺口构件的动态断裂有一定影响,当缺口角度小于90°时影响不显著,当缺口角度大于90°时起裂难度显著增加.     

脆性岩石卸载流变失效的细观力学模型研究

围压卸载路径对于地下工程开挖过程围岩稳定性有着重要的影响.微裂纹扩展对深部地下工程中脆性围岩流变失效有着重要的意义.本文通过耦合翼型裂纹模型、裂纹扩展法则及一个裂纹长度与应变关系,提出了一个宏细观力学模型.其中裂纹长度与应变关系通过宏细观损伤联系得到.然后,将一个围压卸载路径函数引入该宏细观力学模型,理论分析了围压卸载路径对裂纹扩展作用下下的脆性岩石流变特性的影响.通过围压分级卸载试验结果验证了本文理论模型的合理性.并分析了模型参数对围压卸载下流变失效特性影响.研究了围压卸载后,继续加载时机及加载大小对流变特性影响.其对脆性围岩深大地下工程设计及施工提供了一定的理论基础.     

含不同角度穿透裂纹板拉伸断裂的有限元模拟

对含不同预置角度穿透裂纹板受拉伸断裂过程进行了数值模拟.选用增量型弹塑性本构关系,采用自编有限元程序求解虚功原理方程,裂纹扩展参照了LS-DYNA商业计算软件处理断裂问题的单元失效方法,考核了不同幅值载荷和预置裂纹角度的影响,给出了不同时刻等效应力云图和指定点的应力、应变随时间变化曲线.计算结果表明:当应力波在板中传播时,会在裂纹尖端引起应力集中,板产生垂直裂纹和水平裂纹.垂直裂纹扩展垂直于加载方向,水平裂纹扩展平行于加载方向,两者均与预置裂纹角度无关.板上不同位置的应力变化仅和相对裂尖位置相关,而与预置裂纹角度无关.相对裂尖位置、与板边界距离和加载位置是影响应变随时间变化的主要因素.当载荷幅值较小时,不会出现裂纹扩展.当载荷幅值较大时,聚集在裂纹尖端的应变能需较长时间才能释放,这会影响水平裂纹的出现时间.     

凿岩机活塞疲劳寿命的理论分析

根据赫兹接触应力理论,对活塞疲劳失效进行了破坏机理的讨论,指出距冲击接触表面深度约为二分之一接触圆半径处,由于出现最大剪切应力,此处便形成了裂纹源;分析了影响疲劳裂纹扩展速度的重要因素;提出了活塞接触疲劳寿命的理论估算方法。     

基于衰减路径时变性的压力容器疲劳裂纹安全裕度研究

传统压力容器安全裕度表征模型未考虑裂纹扩展过程中的时变性，导致无法准确反映剩余安全裕度大小. 为此，本文基于速度积概念建立了大型压力容器剩余安全裕度模型. 裂纹扩展形式直接影响安全裕度判定，故运用Paris公式并考虑闭合效应得到裂纹扩展规律公式，并结合Newman和Raju数值计算应力强度因子的理论，得到了不同裂纹的深度和长度方向变化的关联函数. 以表面裂纹为例，通过关联函数模型得到安全衰减路径，然后计算了路径速度积安全裕度模型的表征变化，从寿命安全裕度角度评价了路径速度积安全裕度模型，结果表明，随着裂纹在不同速度下的扩展变化，其安全评价结果更符合实际安全裕度变化，并为工程应用提供新思路.     

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.     

高压水射流冲击破岩损伤场分析

以Johnson-Holmquist modelⅡ(JH-2)脆性材料本构模型来表征岩石的力学特性,利用光滑粒子流(SPH)和有限元(FEA)耦合算法建立高压水射流冲击破岩过程的数值模型,很好地模拟水射流损伤破岩过程中岩石失效、裂纹扩展以及不同位置岩石单元的损伤程度随时间变化的过程。此外,模拟分析射流冲击速度、入射角以及平移速度对岩石损伤场的影响。研究结果表明:岩石的损伤破坏、裂纹扩展是剪切和拉伸共同作用引起的,且近射流冲击点的损伤破坏由剪切作用主导,而放射性裂纹和层状裂纹的扩展主要由拉伸作用主导;岩石单元的损伤值随时间呈阶跃性变化,且射流冲击损伤破岩过程为微秒量级;射流冲击损伤破岩的入射角存在一个有效范围,当入射角大于70o时损伤破岩效果较好;射流冲击速度较低时以表面冲蚀岩石为主,射流冲击速度达到一定值才能使岩石损伤破坏,出现放射性裂纹和层状裂纹;射流平移速度与冲击速度相比很小,对岩石的损伤场影响不明显。     

材料构型力驱动的复合型疲劳裂纹扩展行为研究

基于材料构型力断裂准则,提出了一种描述复合型疲劳裂纹扩展规律的新模型,该模型不仅能够预测复合型裂纹的扩展路径,而且可以计算裂纹扩展寿命。以该模型为基础,对疲劳问题中的复合型裂纹扩展失效问题进行了研究。首先,根据材料构型力理论,建立了复合型疲劳裂纹扩展模型,开发了构型力的有限元计算程序,实现了疲劳裂纹扩展的数值计算;其次,采用构型力驱动准则,对Ⅰ型和I-II复合型疲劳裂纹进行了数值分析,计算了裂纹扩展路径以及扩展寿命,数值分析结果与试验结果基本一致,从而验证了该方法的有效性。最后,针对工程实际中可能出现的复杂疲劳裂纹扩展问题,具体研究了边界裂纹与圆孔缺陷干涉作用下的金属板疲劳问题,结果表明:斜裂纹角度以及孔洞与裂纹的相对位置均会影响扩展路径以及疲劳寿命;对于不含圆孔的斜裂纹问题,裂纹角度越大,寿命就越长,而对于含圆孔的边界裂纹问题,由于孔洞的存在导致了裂纹朝孔洞方向偏转和裂纹扩展速率减小,并可能发生止裂现象。     

冲击和非冲击疲劳载荷下过载对裂纹扩展的影响

对12CrNi3A 钢在冲击和非冲击疲劳栽荷下的过载裂纹扩展延迟效应研究表明:过载对随后裂纹扩展的影响不仅取决于过载力作用下的裂尖塑变,还取决于随后基载力作用下的裂尖塑变.过载对随后裂纹扩展的影响存在两个互为矛盾的方面:一是裂尖塑变损伤促进裂纹扩展;另一是产生残余压应力场和闭合效应延缓裂纹扩展,两方面共同作用结果才能最终决定对随后裂纹扩展的影响.实验结果还表明,冲击疲劳载荷下的过载延迟效应与过载力的冲击速度有关,相同条件下,冲击疲劳载荷下的延迟期 Nd 高于非冲击疲劳载荷;各种因素对过载延迟的影响程度在两种载荷制度下不相同.     

承载Fe3Al/Al2O3复合材料失效过程声像特征

利用自行设计的多功能加载装置和扫描声学显微镜连续观察并测量了Fe3Al/Al2O3复合材料在承载条件下的失效特征并对其断裂机制进行了讨论,揭示了复合材料在大尺度范围内裂纹扩展过程和失效特征,发现材料的裂纹萌生于微缺陷和应力集中区域.裂纹扩张有明显的孕育过程和较大的孕育区.当材料承受的应变能或局部应力超过临界值时,裂纹将发生快速扩张,并最终导致失效.承载下该材料测得显微结构,当卸载后,显微结构不能恢复.     

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.     

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。     

混凝土三点弯曲试验的计算机模拟

根据混凝土试件三点弯曲试验的物理模型,用ＭＦＰＡ数值模拟系统对砂浆和混凝土三点弯曲试件中预裂纹的扩展直至试件宏观破裂的整个过程进行了模拟分析·计算机模拟给出了试件的载荷 加载步曲线和混凝土试件的破坏过程的应力分布图·最后,对试件的破坏过程进行了分析,认为裂纹尖端的拉应力是裂纹扩展的动力,指出了混凝土组成材料的非均匀性是造成裂纹扩展路径曲折性的重要原因·     

基于离散元方法的预制裂纹扩展过程分析

对预制裂纹花岗岩试件进行了单轴压缩试验,得出了不同裂纹倾角下的岩石强度与弹性模量变化规律.建立了不同裂纹倾角下的岩石颗粒流计算模型,并根据室内试验结果标定了计算模型的细观参数.通过编制FISH语言提取了裂纹扩展过程中的裂纹信息,并进行了详细分析.研究结果表明:随着预制裂纹倾角的增大,裂纹起裂应力、起裂角不断增大,裂纹扩展由最初的翼型裂纹占主导向次生裂纹占主导转变;通过定义的裂纹聚集系数分析得出随着裂纹倾角的增大,裂纹聚集系数曲线由光滑变得曲折,裂纹扩展路径由集中向分散过渡.     

Study on the Propagation of Interface Crack of Young Concrete Lining and Rock Under Blasting Load

In the construction of water conservancy and hydropower project, young concrete lining structure is often affected by blasting load. Young concrete has a lot of micro-fractures with random distribution, which are easier to propagate and connect under blasting load. This paper focuses on the calculation on dynamic stress intensity factors of bond interface crack of concrete-rock according to concrete age. Result shows that different incidence angles of stress wave lead to different crack propagation mechanisms. Under the normal incidence of impact load, the bonding interface crack propagation of the concrete lining is mainly caused by reflection tensile stress, which forms from the free surface. With horizontal incidence of stress wave, the bond interface crack propagation of concrete lining is affected by concrete age. With the increase of concrete age, the elasticity modulus margin between concrete and rock decreases gradually, and the crack propagation form changes from shear failure to tensile damage.     

基于数字图像技术的沥青混合料反射裂纹扩展行为

为了研究不同加载模式下的沥青混合料反射裂纹扩展行为,对复合小梁试件进行复合型和弯拉型破坏荷载试验以及不同应力比状态的疲劳试验,并基于数字图像相关技术(digital image correlation, DIC)观测反射裂纹萌生至扩展全过程,从裂纹宽度、裂纹扩展路径、裂纹扩展高度及疲劳反射裂纹扩展速率深入分析其扩展行为。结果表明：沥青混合料反射裂纹扩展行为经历微裂纹萌生、微裂纹发展阶段、微裂纹向宏观裂缝转变、宏观裂缝快速发展4个阶段。反射裂纹扩展由主裂纹扩展以及次裂纹扩展构成,且次裂纹扩展速率高于主裂纹。采用logistic函数对混合料疲劳反射裂纹扩展量进行拟合是可靠的。研究成果对于完善沥青路面设计及其耐久性评价具有重要意义。     

雁行双裂隙类砂岩加载条件下裂纹扩展演化规律研究

为了研究裂隙岩体在荷载作用下裂纹扩展演化与破坏规律,以预制含雁行双裂隙类砂岩试样为研究对象,采用单轴压缩试验与DIC技术相结合,探究裂隙倾角和岩桥倾角对试样裂纹产生、扩展和破坏模式的影响。结果表明：(1)裂纹先从试样边界处产生,向试样中心扩展,随加载的进行,裂纹转向从裂隙尖端处产生,向试样上下端面扩展。(2)试样新生裂纹扩展演化过程、破坏模式与裂隙的倾角特征关系密切,随裂隙倾角和岩桥倾角的增加,裂纹扩展的数量分别呈现出先减少再增加后减少、先减少后增加的特点,试样破坏模式呈现出由张拉破坏向张拉-剪切复合破坏转变,但当裂隙倾角增加至90°时,试样破坏模式又呈现出张拉破坏。(3)岩桥贯通取决于其水平投影长度,当岩桥倾角为0°、30°,岩桥水平投影长度较长,岩桥未贯通,当岩桥倾角为60°、90°、120°,岩桥水平投影长度逐渐减小,岩桥发生直接贯通。研究成果可为工程设计及优化提供一定的指导意义。     

含异侧偏置裂纹试件的冲击断裂试验

利用新型数字激光动态焦散线试验系统,分析了含异侧偏置裂纹有机玻璃(PMMA)试件破坏的时程特性和裂纹尖端扩展过程中的应力奇异性变化。得出该加载条件下试件的断裂韧度约为1.16 MN/m_3/2,异侧偏置裂纹间距对试件冲击断裂韧度没有明显影响。一定范围内,异侧偏置裂纹间距越大,裂纹扩展的对称性越明显。贯穿主裂纹的扩展路径上存在一个明显的应力变化转折点,此处裂纹尖端的应力集中程度加强,试件由以拉伸破坏为主过渡为拉伸、剪切复合破坏。次裂纹尖端发生明显应力释放的同时,主裂纹尖端的应力集中明显加强。裂纹扩展过程中,裂纹尖端的动态应力强度因子表现出明显的震荡变化,主裂纹相对于次裂纹裂尖奇异性更强。     

基于损伤力学与安全衰减路径的含裂纹缺陷压力容器扩展寿命分析

针对含裂纹缺陷压力容器的疲劳裂纹扩展寿命问题,在裂纹缺陷的安全衰减路径仿真基础上,提出了一种预测裂纹缺陷疲劳扩展寿命的计算方法。首先根据裂纹长度和深度的几何关联变化模型,基于该关联模型与失效评定图（FAD）仿真裂纹缺陷的安全衰减路径轨迹,然后采用数学积分方法求解安全衰减路径的长度和剩余轨迹线段长度,以此为度量建立裂纹缺陷安全裕度及损伤程度的计算模型,结合低周疲劳试验数据,在Lemaitre能量损伤理论上建立一种裂纹疲劳扩展寿命预测模型。此外,本文对某压力容器进行了算例分析,并运用本文提出的模型计算结果与Paris公式的计算结果及扩展有限元仿真的结果进行对比,结果表明,该方法对压力容器含裂纹缺陷的疲劳寿命评估有一定的实用价值。     

基于扩展有限元法的混凝土重力坝多裂纹数值模拟

针对含有多个初始裂纹的混凝土重力坝的裂纹扩展问题,在ABAQUS有限元分析软件上,应用扩展有限元法和黏聚裂纹模型来进行数值模拟。分析了多裂纹的扩展路径以及主导裂纹的荷载-裂缝口张开位移。结果表明,混凝土重力坝多裂纹的扩展路径与文献结果几乎相同,主导裂纹的荷载-裂缝口张开位移曲线与文献结果有差异,但差异很小。可见采用扩展有限元法能够精确地模拟混凝土重力坝多裂纹从加载到失稳破坏的全过程,无需重新划分网格,减少了计算量,为解决工程实际问题提供了一种有效的应用途径。