双轴压力下的压缩损伤变量

损伤力学主要研究材料内部的微缺陷的形成和演化对各项机械性能的影响。对于脆性材料,其内部的各微裂纹的形状、大小和方向的分布是杂乱无章的,因此在复杂加载条件下会表现出非常复杂的力学行为。其中,各微裂纹面是否闭合,以及闭合裂纹面间的正应力和剪应力数值上的差异,是造成这种复杂性的原因之一。解决这类问题,可以从分析闭合裂纹间的正应力出发,在弹性力学理论的基础上,考虑一个含裂隙的受双轴压力的代表性单元,通过分析裂纹面上的正应力的影响,利用某种平均化方法得到单元体在边界和裂纹面上的平均位移,从而推导出该单元在双轴压力下的应力应变本构关系以及对应的损伤变量。计算结果表明,与侧压有关的裂纹面间的正应力对受压缩时材料的损伤变量数值,以及承载能力均有一定程度的影响。     

裂纹方向对剪切损伤模量的影响

损伤力学是研究含缺陷介质损伤演化及破坏的一门学科,研究方法主要分为2种:唯象的宏观损伤力学和细观损伤力学。其中,细观力学理论更容易描述损伤过程的力学本质。对于脆性和准脆性材料,可以利用弹性力学理论来分析细观损伤机理。模拟一个受组合载荷作用且中心含一条裂纹的单元体,裂纹的方向决定了所受载荷的组合方式,其中受压剪方式作用下的裂纹还考虑了裂纹面间的摩擦效应。利用弹性力学理论的复变函数法可以分析单元体边界的位移场和应力场,通过某种平均化的方法,可得到单元体的总体平均剪应变和总体平均剪应力,进而得到与裂纹方向有关的单元体的剪切损伤模量。计算结果表明,裂纹面间的摩擦效应对剪切损伤模量的影响不可忽视。此种方法还可用来分析其他与损伤相关的力学性能。     

剪切损伤细观机理的弹性力学分析

损伤力学以含微观缺陷的材料为研究对象,分析微裂纹或微孔洞对材料宏观力学性能的影响以及损伤的演化过程。在连续损伤力学理论中,许多学者采用引入损伤变量到材料的本构方程中的办法,来反映材料的不可逆变化过程,这种方法在工程应用中具有简单实用的优点,但损伤变量的物理意义不是特别清晰,难以深入到损伤过程的物理学与力学本质。在弹性力学理论中利用复变函数方法能求出材料的位移场,在此基础上,可分析平面应力条件下含一条微裂纹的单元体边界处和裂纹面上的位移场,通过平均化的方法,得到单元体的平均剪应变,进一步分析这种剪应变与单元体中裂纹的几何尺寸之间的关系,再利用弹性剪切本构关系,就可得到脆性和准脆性材料弹性剪切损伤的细观描述。这种方法还可适用于弹性拉伸损伤的细观机理的研究,对进一步建立含有随机裂纹材料的宏细观相结合的损伤理论是很有意义的。     

拉伸损伤细观机理的弹性力学分析

损伤力学有2个主要分支：连续损伤力学和细观损伤力学.在连续损伤力学理论中,许多学者采用引入损伤变量到材料的本构方程中的办法,来反映材料的不可逆变化过程,这种方法在工程应用中具有简单实用的优点,但损伤变量的物理意义不是特别清晰,而且难以找到拉伸损伤变量和剪切损伤变量之间的联系,往往是只能建立两者各自独立的损伤演化方程.在弹性力学理论中利用复变函数方法能求出材料在给定的受力状态下的位移场,在此基础上,可分析平面应力条件下含一条微裂纹的单元体边界处和裂纹面上的位移场,通过平均化的方法,得到单元体的平均线应变,进一步分析这种线应变与单元体中裂纹的几何尺寸之间的关系,再利用弹性拉伸本构关系,就可得到脆性和准脆性材料弹性拉伸损伤的细观描述.这种方法已经分析了弹性剪切损伤的细观机理,对进一步建立含有随机裂纹材料的宏细观相结合的损伤理论是很有意义的.     

饱和孔隙介质各向异性损伤细观模型

为研究孔隙介质的细观损伤力学及其流-固耦合特性,基于细观力学提出了一个脆性孔隙介质材料各向异性损伤细观模型。同时应用比奥(Biot)弹性孔隙介质理论框架下利用太沙基理论的有效应力概念,将孔隙介质材料各向异性损伤细观模型推广到了饱和条件,建立了一个饱和孔隙介质各向异性损伤细观模型。以法国的一种砂岩为例,分别模拟了三轴排水压缩实验、三轴不排水压缩、不同偏应力水平下增加孔隙水压的三轴压缩实验,数值模拟与实验结果吻合好,说明模型能正确地描述饱和孔隙介质的力学特性和流固耦合特性。     

基于球面对称设计的离散元细观参数定量确定方法

采用球面对称设计法,通过宏观参数范围确定细观参数取值范围,得到多因素球面对称设计试验表,利用试验模拟计算结果和多元回归分析,建立岩石材料颗粒流PFC2D(particle flow code 2D)的宏-细观参数关系式。采用基于宏-细观参数关系式计算得到的PFC2D细观参数,进行单轴压缩下完整岩石的应力-应变曲线和宏观力学参数、含多裂纹岩石试件断裂轨迹的模拟计算。研究结果表明:岩石的应力-应变曲线、宏观力学参数、断裂轨迹的计算结果与试验结果较吻合,从而验证了该宏-细观参数关系式的有效性;采用球面对称设计建立PFC2D宏-细观参数关系式的方法可推广应用于其他脆性材料,可为PFC定量分析复杂荷载条件下的材料细观破坏机理提供参考依据。     

压缩荷载条件下大理岩细观损伤动态理论分析

基于细观力学与热力学基本理论,采用均匀化方法,研究大理岩在单轴压缩条件下的损伤演化规律.首先,认为岩石由岩石基质和裂纹组成,并且岩石基质和裂纹二者符合叠加原理;其次,将裂纹分为张开裂纹和闭合裂纹2种,从细观力学角度和热力学角度进行分析,分析时假设岩石受力初始阶段裂纹主要受张拉力作用,随着裂纹的闭合,剪压作用逐渐对岩石的损伤破坏起控制作用;最后,根据分析结果建立了描述裂纹损伤演化规律的表达式,并通过SEM细观实验验证了理论分析结果.     

复杂加载状态下的剪切本构关系

脆性材料的内部通常含有大量随机分布的微细观缺陷,在受到外部载荷作用时,材料会表现出相当复杂的力学响应。当内部微裂纹受到压剪载荷作用时,裂纹面之间可能会发生相对滑动,它与材料的损伤过程相互影响,表现为非线性应力应变关系等行为。可以从研究一个简单的含一条裂纹的单元体开始,令其承受双轴压力和剪力,利用弹性力学理论中的复变函数解法,考虑到裂纹面间的摩擦力,计算出单元体边界及裂纹所在平面上各点的位移,通过某种平均化方法,可以得到单元体的基体剪应变和总体剪应变,再根据弹性剪切本构关系,进一步得到单元体在该加载条件下的弹性剪切损伤本构方程,同时得到剪切损伤变量的细观描述形式。计算结果表明,2个方向上的压力大小均对材料的剪切损伤和剪切模量产生一定程度的影响。     

应用细观力学与扩展有限元法数值模拟钻柱损伤

钻井过程中,钻柱承受着拉扭等多种交变载荷的作用,其损伤机理一直是力学界深入研究的课题.笔者首先根据细观力学分析的基本原理,采用Abaqus软件的脚本语言Python建立细观尺度下晶粒分布模型,然后采用断裂力学算法——扩展有限元法对含有微裂纹的细观尺度下晶粒模型进行计算,分析裂纹的动态扩展过程以及相应的应力应变分布特征,最后根据细观力学中“均匀化”方法对不同时刻的应力应变进行处理,得到微裂纹扩展对钻杆材料宏观性能的影响.在宏观尺度下处于弹性阶段的钻杆材料,在细观尺度下仍会出现塑性区,且在微裂纹不扩展的情况下,弹性模量是恒定的.文章提出的思路为深入探索钻柱材料断裂机理提供了新的方法.     

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.     

裂纹尖端塑性损伤场及近场损伤准则

本文应用损伤理论研究裂纹尖端区域,得到了裂纹尖端的损伤场。根据细观实验分析提出了一个近场损伤准则,建立了宏观力学参量与材料细观组织参量之间的关系,并用实验结果进行了验证。     

含预制裂隙花岗岩破坏的细观多相颗粒流模拟

基于断裂力学理论,分析了单轴压缩条件下,裂隙倾角对岩石裂纹起裂的影响.根据花岗岩矿物组分,建立了包含长石、石英和云母三相结构的细观颗粒流模型,模拟不同裂隙倾角下花岗岩的单轴压缩破坏过程,得到了花岗岩裂纹起裂、强度、应力应变、破坏形态等力学特征.研究结果表明:岩石试样优势起裂角为24°～30°,定向裂隙对裂纹起裂具有导向、促进作用;裂隙花岗岩的起裂应力和峰值强度随裂隙倾角的增大均表现为先减小后增大的变化趋势,当裂隙倾角为45°～60°时,岩石试件强度最低;裂隙花岗岩试样的压缩变形主要为裂隙面的变形,预制裂隙与新生裂隙的连接与贯通形成的宏观破裂面导致岩石破坏;花岗岩矿物组分比例对裂隙花岗岩强度有一定影响.     

水压力作用下岩石中Ⅰ和Ⅱ型裂纹断裂准则

为了研究裂隙岩体在水作用下的损伤断裂机制,考虑水产生的垂直裂纹面的静水压力和平行裂纹面的拖拽力,分析处于压剪和拉剪状态的单裂纹应力状态,推导出水作用下裂纹的应力强度因子.还定义基于断裂韧度的损伤变量,并将损伤变量引入Dugdale裂纹模型,推导出水损伤作用下压剪和拉剪应力状态下裂纹的应力强度因子.基于压剪条件下的断裂准则和最大周向应力理论,推导出压剪和拉剪应力状态下,考虑水损伤作用的裂隙岩体断裂准则.     

脆性材料压剪断裂方向影响因素的宏细观分析

从物理学中摩擦力和固体力学应力状态的概念出发,讨论了脆性材料受压剪断时断裂面上摩擦力的存在性;基于脆性材料压剪宏观断裂形式和细观断裂机理,分析了影响脆性材料压剪断裂的主要因素.分析结果表明,脆性材料单压剪断时,起裂点上断裂面沿最大切应力方向,而试验中观察到宏观剪切面倾角大于45°.主要原因是,试验中试件端面附近存在摩擦...     

煤体裂纹水力致裂的扩展机理

基于现有的岩石断裂力学和细观损伤力学,在引用裂纹尖端损伤局部化模型,考虑煤体的远场应力、煤体注水压力及局部损伤带内应力作用的前提下,分析了裂纹尖端应力分布,对水力作用下煤体裂纹尖端损伤局部化、裂纹扩展的基本条件及裂纹扩展的方向进行了理论分析与探讨。     

准脆性材料的细观损伤演化模型

针对以缺陷密度为参量的细观损伤演化模型的局限性 ,着重研究了微裂纹尺寸对损伤演化的影响。提出了含三相正交分布等尺寸微裂纹的准脆性材料稳定扩展的细观损伤演化模型。给出了微裂纹特征尺寸随应力变化的显式表达式 ,并由此得到了含微裂纹的准脆性材料损伤本构关系。通过实例 ,对初始含有相同密度、不同尺寸和数量的微裂纹的两种混凝土材料在单向拉伸载荷下的损伤演化进行了数值计算和比较。结果证实 :含大尺寸微裂纹的材料损伤发展较快 ,相应地 ,加载到同一应力水平时 ,具有较大的应变     

煤体裂纹水力致裂的扩展机理

基于现有的岩石断裂力学和细观损伤力学，在引用裂纹尖端损伤局部化模型，考虑煤体的远场应力、煤体注水压力及局部损伤带内应力作用的前提下，分析了裂纹尖端应力分布，对水力作用下煤体裂纹尖端损伤局部化、裂纹扩展的基本条件及裂纹扩展的方向进行了理论分析与探讨。     

基于DIC类岩石材料损伤演化研究

本文研究了一种新型的类岩石材料的配比,同时在采用了新的散斑制作技术能够更精确更方便地制作更好的散斑。进一步通过室内模型试验,利用三维数字图像相关方法(3D-DIC)的研究手段,观测不同倾角预置单裂纹的类岩石材料在单轴压缩下的裂纹扩展及岩体细观损伤演化过程,得到预制单裂纹类岩石破坏过程中观测面的三维全场位移和应变。提出了一种基于散斑数量变化的散斑损伤变量来量化岩石的损伤。结果表明:裂纹倾角是影响预制单裂纹的岩石起裂应力、抗压强度等力学特性的重要参数;散斑损伤变量能很好地对应变场的损伤演化,且岩石材料破坏过程中应变场的演化能较好地反映其内部裂纹的产生和扩展规律;所以利用3D-DIC观测系统进行岩石变形破坏机制的研究是有效的,可为岩土介质宏细观变形破坏机制的研究提供重要的借鉴。     

岩石双面剪切细观试验装置的研制及应用

为研究岩石的双面剪切细观损伤力学特性,自主研制岩石双面剪切细观试验装置。研究岩石材料的双面剪切强度和变形特性;利用细观观测系统和声发射系统,研究岩石双面剪切破坏过程的细观损伤力学特性;进行烘干砂岩非限制性双面剪切细观力学特性试验,获得双面剪切应力应变曲线、左右预定剪切面附近裂纹演化过程和细观裂纹分布特征。研究结果表明:岩石的双面剪切细观演化过程和裂纹形态分布与相同条件下单剪试验结果相比存在明显差异,利用该装置进行不同条件下的岩石双面剪切细观试验,可以从基于细观的损伤力学角度研究岩石双面剪切破坏机理。     

基于颗粒流的大理岩三轴循环加卸载细观损伤特性分析

利用颗粒流程序(PFC)并基于大理岩常规三轴压缩室内试验结果得到一组能够真实反映大理岩宏观力学特性的细观参数,在此基础上进行大理岩三轴循环加卸载试验模拟,研究岩样在循环加卸载作用下的细观损伤特性。研究结果表明:试样内部接触力和平行黏结力在损伤部位产生应力集中,当接触力增大到平行黏结力承载极限时,颗粒间黏结断裂,产生微裂纹;微裂纹数目随应变发展呈阶梯状增加,且在加载初期有良好的"记忆"行为,然后逐渐削弱;微裂纹在加载初期随机分布,然后有序聚集并扩展贯通,加载至峰值附近时形成剪切带;在应变软化阶段反复加载使剪切带扩展贯通形成宏观破裂面,残余强度阶段的裂隙主要由宏观破裂面间的摩擦、滑移产生。