岩体复合型裂纹的扩展规律Ⅰ.无水作用条件下

基于最大周向正应力理论 ,研究并给出了无水作用的复合型裂纹在不同应力状态下扩展的临界应力强度因子和扩展方向角。结果表明 ,①Ⅰ型裂纹将沿裂纹面延伸方向扩展而无分支裂纹 ,Ⅱ型裂纹沿与原裂纹面成 70 5°延伸方向扩展 ;②单轴拉伸应力状态下裂纹面有逐渐向垂直于荷载方向上扩展 ,而单轴压缩应力状态下裂纹面有逐渐平行于荷载方向上扩展 ;③双轴应力状态下 ,裂纹扩展方向不仅取决于原裂纹的倾角 ,而且与所受应力状态及σ3 σ1 有关。     

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。     

平面复合型疲劳裂纹扩展问题

本文要解决的是平面复合型疲劳裂纹扩展方向以及疲劳寿命的预测问题。主要内容如下: 1.提出“等双剪应力线上δθmax平面复合型裂纹开裂判据”。与其它判据相比较;本判据所预测的裂纹开裂方向更接近于疲劳裂纹扩展试验的结果。2.文中指出:是Z形裂纹的分支方向,而不是其主裂纹方向,在Z形裂纹的KⅠ,KⅡ值中起着支配性的作用。接着提出二个计算Z形裂纹应力强度因子的近似方法。3.为预测复合型疲劳裂纹扩展的寿命,文中提出了一个新的裂纹扩展速率表达式,即折合张应力强度因子指数公式。此式所预测的寿命较接近于实验值。最后,还讨论了应用主应力强度因子K*,应变能释放率G,应变能密度因子S,预测复合型疲劳裂纹扩展的寿命问题。     

韧性断裂机理的理论探讨与基于铝合金薄板韧性断裂准则的修正

对韧性材料的断裂机理进行理论研究.当裂纹尖端附近两个相邻的材料微单元体的破坏面共面或共线时,裂纹可以通过破坏面扩展并传递到相邻的单元;当两个单元体的破坏面与两单元体中心线成一定角度时,两单元体之间将产生相对滑动或旋转,使得两破坏面之间重新共面或共线,从而使得裂纹可以扩展,形成一个连续的裂纹开裂面.基于铝合金6063薄板修正韧性材料的断裂准则,并用简单的平面应力状态下的平板拉伸试验和平面应变状态下的缺口拉伸试验,结合有限元ABAQUS计算求得韧性断裂准则中的材料常数.     

混凝土Ⅰ—Ⅱ复合型裂纹有效断裂准则

利用单边切口四点剪切梁进行了混凝土Ⅰ－Ⅱ复合型断裂试验研究。根据试验结果采用四分之一点奇异有限元法计算了各试件的应力强度因子ＫⅠ和ＫⅡ；结合本文的试验结果在广泛收集、分析国内外混凝土Ⅰ－Ⅱ复合型断裂试验资料的基础上，建立了混凝土Ⅰ－Ⅱ复合型有效裂纹断裂准则，并与已有断裂准则进行了比较。     

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.     

裂纹顶端塑性区内方向应变能的裂纹扩展准则

在应用断裂力学和塑性力学对裂纹顶端的分析基础上,提出了裂纹顶端塑性区内方向应变能的概念,并建立了基于此概念上的裂纹扩展准则,引入裂纹顶端临界扩展本征区概念,消除了应变能积分中的奇异性.与其它裂纹扩展准则的比较结果表明,在此基础上建立的裂纹扩展准则是合理可行的.     

屈服准则与裂纹开裂判据

本文提出了在裂尖附近的弹塑性交界线上,选择并比较有关的力学参量,以预测复合型裂纹的失稳扩展的方法。分别用Mises,Tresca,Twin shear stsess屈服准则讨论了裂尖附近的塑性区形状与大小,进而在其周界上选择周向应力σ_θ,周向应变ε_θ,塑性区长度γ_P作岛裂纹失稳扩展的控制参量,以预测其失稳扩展的方向及条件。对不同准则与不同控制参量所预测的结果进行了比较。     

三维介质中复合型裂纹扩展的断裂准则

断裂准则是评定含裂纹构件或结构的工作状态是否安全的基准和依据。本文从三维介质中复合型裂纹问题的分析入手,考虑裂纹尖端小范围屈服区对裂纹扩展的影响,提出了描述三维介质中任意形状裂纹扩展规律的F₀准则和E₀准则。这两个准则均与现有的实验资料吻合得很好,而且还有一个较为突出的特点,即能反映Ⅰ—Ⅱ—Ⅲ型复合裂纹和Ⅱ—Ⅲ型复合型裂纹中KⅢ对裂纹开裂角的贡献。这一特点是S准则^[1]、MG准则^[9]、C判据^[10]和W判据^[11]等一些断裂准则不具有的。     

疲劳裂纹尖端塑性区的云纹法测定

本文用云纹法获得了GCr15钢经拉一拉疲劳试验后裂纹尖端的云纹信息,计算处理得出裂纹尖端塑性区的主应变场,其形状好似蝴蝶,建立了蝴蝶形主应变场的数学式子。实验结果表明:与轴呈45°方向上的ε_x为零且主应变场梯度最小,而沿裂纹方向主应变梯度最大,间接地证实了Laird的展性裂纹扩展钝化机制。     

页岩气储层水力裂缝网络的延伸规律

为了深入认识页岩气储层水力压裂裂缝的延伸规律及裂缝网络形成条件,通过建立页岩气储层水力裂缝延伸的二维模型,分析地应力差异系数、天然裂缝及层理面等因素对水力裂缝延伸方向的影响规律,并对页岩储层水力裂缝网络的形成机制进行研究.研究结果表明:水力裂缝在层理面内转向、分岔及沟通天然裂缝是形成裂缝网络的关键,层理面和天然裂缝逼近角和地应力差异系数需在一定临界组合条件下才形成裂缝网络,偏离该条件均形成单一裂缝;最大水平主应力方向与页岩的层理面和开度较好的天然裂缝之间的逼近角呈大角度时,更有利于形成裂缝网络.     

复杂应力状态断裂判据的讨论

结合对脆性材料常规破坏试验结果的分析,修正了脆性断裂强度条件,将新的强度条件用于解决复合型裂纹的断裂问题,认为应力三维度极大值处对应于裂纹的启裂位置,裂纹的启裂方向则与处的最大拉应力方向有关,给出了一个新的复合型断裂判据,利用铝合金平面应变断裂实验结果对新判据作了验证。     

最大主应力与形状改变比能对断裂的影响

分析了裂纹尖端附近的形状改变能密度场和主应力场，结合试验数据研究了最大拉应力与形状改变比能对脆性断裂及断裂方向的影响。认为复合型裂纹的脆性开裂方向主要受形状改变比能的影响，开裂方向靠近形状改变比能取最小的方位，而此处的最大拉应力是影响裂纹开裂的主要因素。     

断层对煤层水力压裂裂缝扩展的影响

针对煤层中的次生断层或小型滑移断层会影响水力裂缝扩展方向的问题,通过建立压裂裂缝遇断层的二维模型,采用理论分析和数值模拟方法分析逼近角度、水平主应力差、煤岩体弹性模量差异等因素对水力裂缝扩展方向的影响规律,建立裂缝穿过断层形成有效压裂的判断准则,在给定煤岩体参数条件下,拟合出水力裂缝穿过断层形成上下盘煤层贯通裂缝的逼近角度-水平主应力差的临界曲线。结果表明:逼近角度、水平主应力差、煤岩体弹性模量是影响压裂裂缝走向的主要因素,在低主应力差、较小逼近角度、较高顶板弹性模量的情况下,断层面易产生张开型破坏;当逼近角度-应力差坐标点位于曲线上方时裂缝将穿过断层面进入顶板,当角度-应力差坐标点位于曲线下侧时断层面张开裂缝将扩展至下部煤层形成上下盘煤层贯通裂缝。     

中主应力对内嵌π平面裂纹扩展行为的影响

采用简化的增强虚内键(AVIB)本构模型,利用三维单元劈裂法对真三轴作用下内嵌π平面裂纹的扩展过程进行了数值模拟,得到了三维应力下内嵌裂纹的扩展模式和裂纹体强度变化规律.结果表明:在真三轴应力作用下,微裂纹从预置裂纹两侧开始起裂,沿着最大主应力方向扩展,形成一个倾斜的"马蹄形"包裹状裂纹,随着中主应力的增加,"马蹄形"包裹状裂纹逐渐向中主应力方向发生扭转;当中主应力较小时(约小于单轴强度的50%),裂纹体峰值强度随中主应力的增加几乎呈线性增长;当中主应力增至一定值时(约为单轴抗压强度的80%),裂纹体峰值强度达到最大,随后三轴抗压强度随着中主应力的增加而减小.文中的研究结果为高地应力作用下的内嵌平面裂纹扩展规律的分析提供了有意义的参考.     

基于广义最大周向应变准则的断裂特性研究

裂纹尖端应力场的非奇异性常数项(T应力)对脆性或准脆性材料的断裂特性及裂尖塑性区的形状和大小都有显著的影响.为了探究T应力对脆性或准脆性材料Ⅰ～Ⅱ复合型断裂特性的影响规律,基于先前研究中提出的计及T应力影响的广义最大周向应变准则进一步讨论了T应力、裂纹尖端的临界距离r0和泊松比y对中心裂纹圆盘试件的裂纹扩展路径以及临界...     

纳观尺度下不同晶向取向对裂纹萌生和扩展的影响

【目的】了解裂纹的生长特征和扩展规律,揭示纳米级裂纹扩展机理及其对材料断裂的影响。【方法】采用晶体相场法研究不同初始晶向倾角在y方向单轴拉伸作用下裂纹扩展演化、对应的应力分布及其应力曲线。【结果】当拉应变作用达到临界值时,无预应变的样品裂口开裂方式不同。5°与20°晶向倾角的样品裂口直接开裂,并伴随着位错出现。10°与15°晶向倾角的样品裂口先发射位错,裂口准备开裂。裂纹形成后,5°与20°晶向倾角的样品裂纹主要呈脆性断裂模式扩展。10°与15°晶向倾角的样品为典型的韧性断裂模式扩展。【结论】不同晶向倾角对裂纹萌生时间、扩展方向以及韧-脆扩展形式有重要影响。     

基于扩展有限元的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹开裂角分析

以ABAQUS为平台,利用扩展有限元方法,采用最大环向拉应力断裂准则模拟了有限大板和三点弯曲梁Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的开裂角。结果表明,采用扩展有限元法分析Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的扩展方向不需要预先指定裂纹扩展方向,解决了常规有限元方法的弊端;扩展有限元方法能够逼真地模拟复合裂纹的扩展行为,无须重新剖分网格,节省了计算成本,为解决实际复杂形状裂纹问题提供了方便的途径。