不同方向冲击加载作用下含裂纹巷道的破坏行为

为了研究来自不同方向的冲击加载作用对含裂纹巷道围岩破坏方式的影响,采用青砂岩作为试验材料,进行相应的模型试验研究。首先,在巷道围岩的圆拱顶处设置单裂纹以模拟围岩内天然的裂纹缺陷;随后,采用冲击试验机进行动态加载试验,通过应变计确定巷道模型内预制裂纹起裂时间及扩展速度,并进行相应的数值模拟分析,得到裂纹的扩展路径规律与巷道围岩的破坏方式;最后,将数值模拟结果与试验结果进行对比分析。研究结果表明：当冲击载荷来源于拱顶时,巷道围岩破坏主要为裂纹起裂、扩展,拱底发生拉伸破坏;当冲击载荷来源于侧帮时,巷道围岩仅在两侧拱肩处发生破坏。巷道围岩内预制裂纹的动态起裂韧度与冲击加载方向偏向角有关。在相同动态载荷作用下,巷道断面拱肩与拱脚压应力较大,容易产生拉伸破坏,动态稳定性较小。     

弹塑性材料动态起裂止裂和裂纹稳态扩展轨迹的试验研究

利用一维试验原理，在冲击拉伸试验装置上实现了周边切口短圆柱试件的动态起裂和动态止裂试验，利用止裂试验中不同的裂纹止裂长度△a和止裂点处的总体柔度，拟合一标定曲线，根据P^-δ曲线上每一点的总体柔度由标定曲线来确定裂纹的稳态扩展轨迹，从而得到裂纹的扩展速度。     

水岩作用下岩石亚临界裂纹的扩展规律

采用双扭试件,利用常位移松弛法,分别进行自然状态以及水岩作用下大理岩和混合岩的亚临界裂纹扩展实验,获得2种环境下岩石裂纹扩展速率v与应力强度因子KI的关系,并计算得到亚临界裂纹扩展参数A和n。通过对比,研究水对岩石亚临界裂纹扩展规律的影响。研究结果表明:对于大理岩,其A为自然状态下的8.07×1016倍,n由自然状态下的48.33下降到8.28;对于混合岩,其A为自然状态下的5.45×109倍,n则由自然状态下的60.20下降到21.86,说明对应于同一应力强度因子水平,水作用下的岩石亚临界裂纹扩展速度要快;水的存在使得岩石的断裂韧度KIC明显降低,对于大理岩,自然状态下的KIC为3.0316MN/m3/2,水岩作用后KIC为2.2070MN/m3/2,下降27.19%;对于混合岩,2种状态下的KIC分别为2.0877和1.9398MN/m3/2,下降7.08%。该实验结果可为复杂矿岩的稳定性分析提供可靠依据。     

裂纹缺陷对结构动态断裂行为的影响效应研究

采用落锤冲击加载的方式,结合焦散线方法,研究了裂纹缺陷对有机玻璃(PMMA)板条试件动态断裂行为的影响效应。通过对试件断裂破坏过程的观测和分析,得到了裂纹尖端动态应力强度因子和裂纹扩展速度的变化规律。结果表明,该试验加载条件下,结构的断裂韧度约为1.00 MN/m~(3/2);裂纹缺陷的存在对运动裂纹扩展的总体效果是抑制的,含裂纹缺陷试件中运动裂纹的扩展时间约为不含裂纹缺陷的1.5倍;随着裂纹缺陷长度的增加,运动裂纹在缺陷处再次起裂更为困难。     

爆炸载荷作用下刻槽炮孔动态裂纹扩展规律

基于准静态爆生气体膨胀和岩石断裂力学理论，建立了不耦合装药刻槽爆破时的脆性断裂爆破模型。对刻槽炮孔内爆生气体压力、临界压力和应力强度因子进行了分析计算，从而得出了刻槽炮孔裂缝在扩展过程中，包括启裂、止裂条件、启裂方向、扩展长度和裂缝扩展速度等的变化规律。此外，论文还对刻槽爆破时的动态效应进行了初步探讨，根据分析结果在大理石切割爆破中进行了刻槽试验，并和普通光面爆破效果进行了比较。     

节理频度对类岩石介质裂纹扩展行为的影响

为研究节理频度对类岩石介质受冲击荷载作用时动态裂纹扩展行为的影响,借助新型数字激光动态焦散线实验系统进行了试验研究.结果表明:随着节理频度的增大,竖向裂纹起裂时的动态应力强度因子减小,但大于水平节理翼侧裂纹起裂时的应力强度因子;裂纹扩展至节理区域时,动态应力强度因子有一个交替震荡的过程,此过程持续时间随节理频度增大而延长;竖向裂纹从加载到起裂时间并不明显改变,但从起裂到试件贯通破坏的时间近似线性增长;竖向裂纹起裂后的速度随节理频度增大有所减小,但大于裂纹扩展通过节理区域后的速度.可见不同节理频度类岩石介质的裂纹扩展行为存在差异,为冲击荷载下岩石断裂破坏提供理论参考.     

偏三点弯曲岩石试件中裂纹扩展过程的数值模拟

运用RFPA2D数值模拟方法,对偏三点弯曲岩石试样中裂纹的扩展路径进行了数值模拟·数值模拟结果表明:在加载过程中裂纹有失稳扩展过程;当预裂纹远离试件中心线时,裂纹的初裂纹角θc和峰值荷载增加,裂纹的失稳过程也更加明显·裂纹的扩展路径总体上遵循一定的规律,但由于岩石材料性质的非均匀性,局部的裂纹扩展呈现出曲折性·数值模拟结果与试验结果具有较好的一致性     

多冲载荷下过载对随后裂纹扩展的影响

对作用于12CrNi3A钢的多冲过载对随后裂纹扩展的影响进行了研究。结果表明,多冲载荷下过载同样存在着裂纹扩展延迟效应,且与过载时的冲击速度有关。根据实验结果对过载延迟的机制进行了初步探讨。     

非对称Ⅰ型动态裂纹尖端后部区受均布载荷作用

通过复变函数论的方法,对非对称Ⅰ型裂纹尖端后部区受均布载荷作用下的动态扩展问题进行了研究。根据正交异性体弹性动力学平面问题运动方程的相应关系,采用自相似函数的方法可以获得解析解的一般表达式。应用该法可以很容易地将所讨论的问题转化为Riemann-Hilbert问题,而后一问题可以用通常的Muskhel-ishvili方法进行求解,并且可以相当简单地得到问题的闭合解。这些解在断裂动力学以及弹性动力学、静力学问题当中具有重要的应用价值和理论意义。     

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.     

裂纹扩展过程的数值模拟

本文把基于广义虚功原理的多变量有限元模型的优势用于计及大位移的弹塑性断裂分析,并结合运用“可裂单元”的概念,构造了一种性能良好的模拟裂纹连续扩展过程的数值方法。算例表明,用本文算法能成功地予示裂纹的稳定扩展和失稳扩展过程。文中把临界有效应变作为裂纹扩展判据,并和其他一些扩展判据作了对比。     

双重载荷及冲击下Ⅰ型裂纹的位错分布函数

通过复变函数论的方法,对Ⅰ型动态裂纹面受双重载荷、瞬时冲击载荷作用下的位错分布函数问题分别进行研究.采用自相似函数的方法可以获得动态裂纹的位错分布函数的解析解.应用该法可以迅速地将所论问题转化为Riemann-Hilbert问题,并可以相当简单地得到问题的闭合解.     

16MnR钢中微裂纹的萌生及扩展

用宏观与微观相结合的方法,研究16MnR钢在低周疲劳下微裂纹的萌生与扩展规律。试样上分别钻有40—200μm的微孔,研究了微裂纹启裂、扩展和微缺陷尺寸对疲劳寿命的影响。结果认为,孔边裂纹启裂机理有两种方式:滑移带启裂和疏松带启裂。前者是由剪应力起主要作用,后者是正应力起主要作用。而滑移带的局部性和裂纹开叉是低周疲劳下微裂纹的两大典型现象。且微缺陷尺寸对疲劳寿命有显著影响,该影响随应力水平的增加而减小。     

多裂纹介质在动态载荷作用下的断裂特性研究

采用含双平行裂纹的半圆盘有机玻璃模型,以落锤作为动态加载装置,对动态载荷下多裂纹介质的断裂行为进行了研究。研究结果表明:在动载作用下,含多裂纹的脆性材料的应力场与单一裂纹时的应力场有明显不同。多裂纹介质中裂纹尖端的应力场多为拉剪混合应力场,裂纹起裂多为I-II混合型裂纹,但当裂纹扩展以后,裂纹逐渐向拉伸破坏转变;在多裂纹介质中,当已有一条裂纹扩展时,邻近平行裂纹尖端的能量被释放,邻近平行裂纹尖端的应力集中程度也逐渐下降,说明扩展裂纹对相邻平行裂纹的起裂和扩展有一定的抑制作用;在动载作用下,多裂纹介质中裂纹的起裂韧度KI由2.86 MN/m2下降到1.95 MN/m2,说明多裂纹对介质的起裂韧度有影响。但当试件中有一条裂纹扩展后,邻近平行裂纹对扩展裂纹的传播韧度和扩展速度的影响逐渐减弱。     

不同角度裂纹缺陷对材料动态断裂行为的影响

采用新型数字激光动态焦散线试验系统,对含相互垂直和相互共线两种裂纹缺陷介质在冲击载荷作用下的动态断裂行为进行了研究。结果表明:在动态冲击载荷的作用下,边裂纹缺陷处应力集中程度远大于试件的内部裂纹缺陷处应力集中程度;当裂纹从垂直内部裂纹缺陷的端部再次起裂时,表现为Ⅰ/Ⅱ复合型断裂;起裂后,裂纹的断裂模式很快由Ⅰ/Ⅱ复合型向Ⅰ型转化;而对于内部共线裂纹缺陷而言,裂纹的起裂和扩展始终表现为Ⅰ型断裂形式。当内部裂纹缺陷垂直于边裂纹时,内部垂直裂纹缺陷对边裂纹扩展的裂纹尖端的应力强度因子和裂纹扩展速度均有抑制作用;且当裂纹再次从内部垂直裂纹缺陷处起裂后,裂纹的扩展速度和应力强度因子也较共线裂纹缺陷时的高;裂纹扩展速度与裂纹尖端的动态应力强度因子呈正相关性。     

交叉型裂纹扩展模拟的一种有效方法

结合广义有限元法(GFEM)和扩展有限元法(XFEM)的特点,提出了一种新的数值方法——广义扩展有限元法(GXFEM).阐述了广义扩展有限元法的基本原理,对相关公式进行推导,探讨数值实现中需注意的重要问题,给出利用广义扩展有限元法进行断裂分析时应力强度因子的计算方法,编写了广义扩展有限元法程序.通过算例进行了应力强度因子的计算,模拟了结构裂纹的扩展过程.算例结果表明,利用广义扩展有限元法计算交叉裂纹扩展问题,不需要进行过密的网格划分,且网格在裂纹扩展后无需重新剖分,具有相当高的计算精度.     

冲击荷载作用下裂纹的动态响应分析

研究在冲击荷载作用下当材料含有裂纹时结构物的应力和应变分布情况,以及求解动应力扩大系数的分析方法,材料在含有裂纹条件下,判断材料是否破坏以及材料破坏的标准。     

疲劳拉伸载荷作用下的表面裂纹扩展分析

贮箱在长时间工作状态下会衍生出很多疲劳裂纹,这些裂纹的存在不仅影响容器的结构强度与使用寿命,还威胁到工作人员的人身安全,因此开展贮箱材料疲劳裂纹的动态扩展以及寿命机理的分析研究。通过Franc3D裂纹分析软件,预制不同长深比的半椭圆裂纹试样,研究裂纹动态应力强度因子在疲劳拉伸载荷作用下的变化规律,同时开展裂纹扩展路径、速率和寿命的探究。结果表明：不同长深比的半椭圆裂纹在扩展过程中尖端动态应力强度因子分布规律基本一致,且近表面处强度因子数值大小最高,仿真结果的裂纹形貌仍为半椭圆形;裂纹刚开始扩展时扩展速率近乎相等,随着载荷循环次数的增加,扩展距离呈指数型增长,近表面处的扩展速率最高,长深比小于等于1的裂纹在近表面的扩展速率基本相同。     

残余应力作用下的焊接接头疲劳裂纹扩展与寿命预测

为了探究焊接残余应力对不同初始角度疲劳裂纹扩展的影响,采用热弹塑性有限元方法计算焊接残余应力,结合线弹性力学和Paris公式计算应力强度因子和裂纹深度达到1 mm时的疲劳寿命和裂纹扩展速率。研究结果表明：随着裂纹初始角度增加初始应力强度因子不断减小,裂纹扩展过程中应力强度因子逐渐增大,然后保持稳定;初始角度为90 °的裂纹的疲劳寿命最短,同时由于其表面长度较短,难以发现,需要特别警惕;裂纹深度达到临界尺寸时,初始角度为0 °的裂纹扩展形态为椭圆形,随着初始角度的增加扩展形态向圆形过度;随着裂纹的扩展,焊接残余应力的影响不断减弱,不同初始角度裂纹的扩展速率的差别不断减小,最终趋于稳定;残余应力与外载荷共同作用会使裂纹扩展速率显著提高;结合计算结果给出了减少焊接残余应力提高疲劳寿命的工程建议,可以对压力容器等焊接结构件的设计提供有益的参考。