中小直径棒料径向掰断低应力下料起裂机理研究

针对目前的低应力下料断面质量和起裂效率很难满足工业化需求的问题,提出径向掰断低应力下料方法.采用XFEM法对中小直径金属棒料的起裂阶段进行仿真分析,以V型槽尖端起裂偏距和起裂角为评价指标,通过正交试验研究夹持力臂L1、加载力臂L2、槽深q和底角半径ρ对起裂效果的影响规律.研究结果表明:对起裂质量影响最大的参数是底角半径...     

棒料轴对称非稳态多维温度场的研究

针对低应力精密下料需要预制棒料V型槽尖端微裂纹进而减少下料时间的问题,首先分析了热应力预制V型槽尖端裂纹的基本原理。利用ANSYS软件对热力学模型进行了多次数值模拟,进而建立了适合于不同材质的棒料轴对称非稳态温度场的方程,这对进一步研究此类课题提供了理论参考。     

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.     

偏心切口对棒料裂纹起裂和扩展的影响

为促进棒料裂纹的起裂和缩短裂纹的扩展时间,提出将偏心切口应用于低应力下料技术中。运用有限元分析和ZHENG-HIRT疲劳裂纹扩展速率公式,探讨偏心切口对棒料V型槽应力集中效应和疲劳裂纹扩展时间的影响。研究结果表明:在起裂阶段,偏心切口尖端一周各点的应力集中效应分布不均匀,在偏心切口最深处应力集中效应显著增强,为此处的局部起裂创造了更有利条件;在裂纹扩展阶段,名义切口偏心距e/b在0～0.12范围内,随着e/b增大,疲劳裂纹扩展时间显著下降,但e/b0.12后,疲劳裂纹扩展时间变化趋势趋于平缓,综合考虑下料时间和偏心切口加工,选取e/b=0.12为最佳值,下料时间随切口偏心距的变化趋势与理论上得到的疲劳裂纹扩展时间随切口偏心距的变化趋势一致。从断面质量而言,并不是e/b越大越好,但从总体看,有偏心切口时的断面质量比没有偏心切口的断面质量好。     

V型切口尖端的弹塑性应力奇异性问题

研究了V型切口尖端的弹塑性应力奇异性问题 .通过分析V型切口尖端附近应力场 ,建立了问题的微分方程 ,提出了解决该微分方程的可行方法 .对V型切口的弹塑性问题进行了数值计算 ,讨论了切口几何参数和硬化指数对应力奇异性的影响 ,对一边自由一边固定的V型切口问题 ,提出了估算塑性应力奇异性的近似表达式 .     

应力对混凝土断裂参数测定有效性的影响

对于线弹性材料,裂缝尖端平行于裂缝方向的T应力会影响裂缝的扩展方向和起裂断裂韧度,然而在混凝土类准脆性材料的断裂韧度测试中,无论是起裂断裂韧度还是失稳断裂韧度,T应力的影响却少有研究.以混凝土Ⅰ型断裂韧度测试常用的三点弯曲梁、楔入劈拉试件为对象,计算了裂缝尖端的T应力大小,并分析了其对裂缝扩展方向和断裂韧度的影响.分析计算结果表明:这些常用试件裂缝尖端的T应力相比于裂缝尖端控制因素应力强度因子K很小,不会影响裂缝扩展方向,保证了混凝土断裂失稳前一直处于Ⅰ型裂缝状态;另外,T应力对起裂断裂韧度和失稳断裂韧度的数值也不会产生影响,说明常用试件进行的混凝土断裂韧度确定方法是可靠有效的.     

V型槽几何参数对裂纹萌生的影响规律

针对研究新型低应力精密下料系统时,需要获得棒料表面所预制的V型槽几何参数对槽底应力集中水平影响规律的问题,利用MSC.Marc软件,建立了系统棒料下料时的有限元模型.采用正交法设计了实验方案,通过有限元法的数值模拟实验,确定了V型槽几何参数的合理取值条件,即槽外形夹角为90°,槽深与棒料直径的比为0 1,槽底圆角半径与槽深的比为0 08.同时,建立了可以衡量槽底应力集中程度的数学表达式.实验研究表明,槽深、槽底圆角半径对槽底应力集中水平的影响最大,而槽外形夹角对槽底应力集中水平的影响程度最小.     

水压作用下岩体裂隙压剪起裂准则

为深入研究裂隙闭合与非闭合2种情况下裂隙水导致岩体压剪断裂机理,建立相应的压剪起裂准则。首先,研究初始地应力及裂隙水压作用下的非闭合裂隙尖端应力强度因子及起裂准则,并讨论压剪系数和水压对裂隙压剪起裂应力的影响;其次,研究闭合裂隙压剪破坏机理,并讨论裂隙尖端相对临界尺寸和裂隙面摩擦因数对临界水压(裂隙起裂时的水压)的影响;最后,采用室内试验及现场测试结果对上述两类准则的合理性进行验证。研究结果表明：非闭合裂隙尖端应力强度因子K_Ⅰ应为裂隙面上法向压应力引起的K₍Ⅰ(N))及平行于裂隙面的横向压应力引起的K₍Ⅰ(T))之和,且其起裂模式多为压剪起裂;基于周群力等提出的经验压剪断裂准则,提出相应的非闭合裂隙压剪起裂准则;随着压剪系数增加,起裂应力分别呈非线性增加;随着水压增加,起裂应力呈非线性减小。在水压作用下,闭合裂隙压剪起裂模式往往为拉伸起裂,且裂隙尖端的K_Ⅰ≡0,由此提出了考虑裂隙尖端T应力的修正最大周向应力准则;随着裂隙尖端相对临界尺寸增加,临界水压呈线性减小;随着裂隙面摩擦因数增加,临界水压呈非线...     

功能梯度材料V型缺口根部裂纹场强特性分析

为研究功能梯度材料V型缺口根部裂纹尖端附近的应力场强特性,讨论了指数型梯度材料的裂纹场强特点.以双边V型缺口试件为研究对象,建立试件的有限元分析模型.基于分层法分析静态载荷和阶跃冲击载荷下功能梯度材料V型缺口根部裂纹尖端的应力场强.研究结果表明:静载荷下,缺口根部裂纹前沿中面裂尖等效应力、位移及应力强度因子随着梯度参数β的增大而增大;应力强度因子K随张开角α的增大而减小,且在0°~60°之间减小缓慢,而在60°~90°之间减小程度明显,而在大于90°时随张开角α迅速减小.在冲击阶跃载荷下随着梯度参数β的增大,其动态应力强度因子值减小.     

节理特性对花岗岩起裂应力和损伤应力影响规律颗粒流模拟

节理花岗岩起裂应力、损伤应力的研究对认识其渐进破坏过程和脆性破坏机制具有重要意义.利用细观颗粒流软件模拟了不同长度、倾角的单节理花岗岩单轴压缩试验,并通过监测微裂纹确定其起裂应力和损伤应力,研究了节理长度、倾角对起裂应力和损伤应力影响规律.结果表明:当节理方向与加载方向夹角α一定时,随节理长度L增加,起裂应力和损伤应力逐渐递减,其中α为30°~60°时,递减幅度最大;而当L一定时,随α增加,起裂应力、损伤应力先递减再递增,当α为90°时,起裂应力略有下降;当α为45°时,起裂应力最小,而当α为30°或45°时,损伤应力最小.单节理花岗岩起裂应力与峰值应力比值介于29.1%~45.04%,大部分大于完整花岗岩,而其损伤应力对节理长度、倾角变化的敏感度要大于峰值应力,其值介于72.84%~83.25%,大于完整花岗岩.节理花岗岩起裂应力和损伤应力大小与其破坏模式有关,当主破坏面裂纹起裂和扩展始于节理尖端而沿节理方向时,起裂应力和损伤应力最小.     

基于最大周向应变准则的线弹性材料 纯Ⅰ型断裂机理研究

基于对裂纹尖端应力场常数项T应力的考虑和MTS准则的缺陷,建立基于最大拉应变准则的线弹性材料裂纹扩展判别准则.运用最大周向拉应变准则,以受双向压应力的无限大平板内含贯穿直裂纹为研究对象,给出线弹性材料裂纹的起裂方向和起裂条件,分析T"应力和泊松比对纯Ⅰ型裂纹的起裂角和断裂韧性的影响.研究结果表明,T应力和泊松比对裂纹起裂角和断裂韧性的影响是不可忽视的.考虑T应力后,裂纹扩展发生偏折,起裂角随泊松比的增大而增大;此外,T应力和泊松比对断裂韧性的影响分为两个阶段.考虑T应力的最大周向拉应变准则用于脆性材料裂纹起裂的研究弥补了应力准则的不足,能够更好地预测裂纹初始扩展角及断裂韧性.     

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.     

缝槽形态对水力压裂效果的影响

为研究资源开采中缝槽形态对水力压裂起裂及裂缝扩展规律的影响,解决因地质资源埋藏深、地下储层结构和应力水平复杂、水力压裂开采过程中所造成的钻孔压裂起裂压力大、起裂方位无序、压裂效果差异较大等问题,建立圆孔和椭圆缝槽的二维水力压裂钻孔模型,利用RFPA-Flow^2D数值模拟软件,理论分析并结合数值模拟,对圆孔和椭圆2个缝槽形态的起裂机理和裂缝的扩展规律进行研究。结果表明：压裂裂缝的扩展延伸方向与施加的应力组合中的最大主应力方向平行,且当施加的应力组合差值不断减小时,裂缝的起裂压力随之逐渐增大;最大主应力平行于椭圆缝槽长轴时相较垂直于椭圆长轴时,裂缝更容易起裂;当应力差减小至零时,对比椭圆缝槽,圆孔缝槽的裂纹扩展出现了随机分叉的现象;在应力组合相同的条件下,椭圆缝槽相比圆孔缝槽的起裂压力更小,椭圆缝槽更容易起裂。     

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.     

孔隙水压力梯度对煤层导向压裂控制影响

基于孔隙水压力梯度对孔壁及裂缝尖端应力作用,提出了煤层导向压裂扩展方法.通过研究有效应力变化,建立了导向压裂起裂压力及裂缝扩展压力计算模型.采用RFPA~(3D)-Flow流固耦合软件建立了孔隙压力梯度场下的导向压裂数值模型.对7组不同数值模型计算分析,研究了导向孔的布置方式、距离、控制水压三个主要因素对导向压裂作用效果.研究结果表明:孔隙压力梯度能有效降低压裂孔起裂压力及裂缝扩展压力.起裂压力及裂缝扩展压力降低幅度与导向孔控制水压呈正相关关系,与导向孔距离呈负相关关系.数值计算得到的起裂压力变化规律与理论计算预测相符合,论证了导向压裂起裂压力计算模型的正确性以及导向压裂裂缝控制方法的可行性.     

渗透压下岩石翼形裂纹应力强度因子及断裂判据

为研究渗透压下岩石翼形裂纹面部分闭合情况下的破坏行为,建立多裂纹间相互作用下压剪翼形裂纹的力学模型,推导得到岩石翼形裂纹尖端应力强度因子表达式.分析不同起裂角条件下,应力强度因子随岩石翼裂纹长度的变化规律,并对参数进行敏感性分析.基于摩尔-库伦准则,推导考虑裂纹间相互作用的部分闭合型裂纹的断裂韧度表达式,得到岩石在压剪应力作用下Ⅰ,Ⅱ型裂纹的复合断裂判据.分析结果表明:裂纹间相互作用对应力强度因子的影响效果显著;应力强度因子在起裂角为65°左右时达到最大;应力强度因子对裂纹起裂角和翼形裂纹长度较敏感,对裂纹闭合度的敏感性较小.     

爆破振动作用下巷道围岩微裂纹扩展研究

考虑开挖二次应力场和矿体回采爆破振动对圆形巷道围岩微裂纹的影响,探讨巷道围岩裂纹尖端应力场及单节理微裂纹的Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子,基于双剪统一强度理论,研究圆形巷道围岩微裂纹裂尖在二次开挖应力场及爆破振动动力场作用下的裂尖起裂角和裂尖塑性区统一解.根据计算式及所得图形,分析比较爆破振动影响下微裂纹扩展角及裂纹尖端塑性区范...     

Ⅰ型裂纹的高强混凝土梁断裂性能试验研究

为了研究Ⅰ型裂纹高强混凝土梁在静荷载作用下裂缝尖端微裂区扩展规律,采用三点弯曲梁试验方法。结合双K、双G理论模型分析不同初始缝高比对高强混凝土起裂荷载、失稳荷载、断裂韧度及应力强度因子的影响。试验结果表明:缝高比对起裂荷载与失稳荷载有较大的影响;双K、双G模型得出的起裂韧度理论值很接近且初始缝高比对断裂韧度无明显影响。     

冷加工对316L不锈钢裂尖力学特性的影响

采用弹塑性有限元软件的子模型技术,研究了核电压力容器高温水环境中冷加工程度对316L不锈钢应力腐蚀裂纹尖端应力应变状态和断裂参量的影响,并结合316L不锈钢在不同冷加工程度下屈服强度、杨氏模量、硬化指数和偏移系数的变化规律,对比冷加工程度对微观裂纹尖端应力腐蚀开裂速率的影响,发现冷加工程度不同,材料的力学参数不同,进而影响应力腐蚀裂纹尖端Mises应力、等效塑性应变、拉伸应力、拉伸应变的分布状态和裂尖J积分变化规律。结果表明:不同冷加工程度引起316L不锈钢材料力学性能的变化会改变应力腐蚀裂纹裂尖应力应变状态和断裂参量的分布规律,当应力强度因子一定时,随着冷加工程度的增大,应力腐蚀裂尖Mises应力增大,而裂尖的等效塑性应变减小,同时应力腐蚀裂尖的拉伸应力随着冷加工程度的增大而增大,而拉伸应变随着冷加工程度的增大而减小,裂尖J积分随着冷加工程度的增大而增大,冷加工程度的增加在一定范围内加剧了高温高压水环境中316L不锈钢应力腐蚀开裂速率。     

疲劳裂纹在TA2板中扩展及超载迟滞效应的实验研究

以中心裂纹拉伸M(T)试样为试件,研究了TA2钛板中Ⅰ+Ⅱ复合型缺口裂纹在不同载荷条件下的扩展情况,重点研究了在恒幅载荷和超载载荷下新裂纹的起裂、扩展和迟滞。结果发现在TA2材料中,从I+II复合型缺口裂纹尖端起裂的新裂纹是以Ⅰ型裂纹型式向前扩展的,并且与缺口裂纹取向以及是否受到超载无关;裂纹疲劳扩展速率和Ⅰ型应力强度因子变化幅之间的关系符合Paris公式;经过超载后,裂纹在TA2材料中的起裂和扩展难度显著提高,而且裂纹越短,超载迟滞效应越明显,超载后在裂纹尖端附近形成的残余压应力塑性区是产生超载迟滞效应的原因。