面向裂纹扩展的连结型刚体-弹簧离散元模型

针对连结型刚体-弹簧离散元的单元排布型式对仿真裂纹扩展路径严重失真的问题,提出了一种考虑多层邻近单元作用力的离散元模型。该模型在1层、2层和3层邻近单元搜索方法下的离散元弹簧刚度参数和断裂判据由材料应变能守恒法则推导得出。采用不同层数邻近单元搜索方法对Kalthoff和Winkler的平板材料动态剪切实验的裂纹扩展轨迹进行了离散元仿真,结果表明,随着离散元模型中邻近单元搜索层数的增加,不同单元排布型式对裂纹扩展路径的影响下降;在3层邻近单元搜索方法下,受不同单元排布影响,仿真得到的裂纹扩展的起止时间仅相差2μs,裂纹扩展轨迹十分接近并与实验结果吻合。采用3层邻近单元搜索方法的离散元模型可以有效地仿真材料裂纹扩展路径,可望成为研究材料断裂过程的工具。     

不同裂隙张开度下岩石材料破坏的颗粒离散元模拟

岩体结构对岩体工程灾害具有一定的控制作用,为了研究硬性结构面在岩体破坏中所起的作用,从裂隙张开度对岩石破坏过程和破坏模式的影响出发,建立不同裂隙倾角下不同张开度的颗粒离散元数值模型,进行单轴压缩数值试验,结果表明：岩样的主要破坏模式既与裂隙的张开度有关,又受裂隙倾角影响;裂隙张开度较小岩样,通过裂纹迅速发展,在峰值强度时就趋于贯通;而裂隙张开度较大岩样,引起最终破坏的裂隙尖端张拉裂纹在峰值强度后才出现;且存在极限相对裂隙张开度,对岩样的受力破坏起裂隙干扰作用.     

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.     

剪切盒加载下岩石剪切(Ⅱ型)断裂韧度K_(ⅡC)的测定

采用剪切盒实验获得了岩石的Ⅱ型断裂并测定了岩石的Ⅱ型断裂韧度KⅡC ,通过有限单元法中的位移法推导出剪切盒加载下双切口试样的Ⅱ型应力强度因子KⅡ 的一般计算公式 ,并探讨了KⅡC的尺寸效应和Ⅱ型断裂机理 .实验及数值计算结果表明 :在剪切盒加载下 ,裂纹尖端最大拉应力始终低于岩石的拉伸强度 ,最大剪应力大于其对应压应力下的剪切强度 ,且Ⅱ型最大应力强度因子KⅡmax为Ⅰ型最大应力强度因子KⅠmax的 2～ 4倍 ,从而导致产生Ⅱ型断裂 ;测得的KⅡC值随无量纲切口长度 (2a W)的增加而降低 ,当 2a W≥ 0 .7,且B≥W ,α为 6 5°～ 75°时 ,KⅡC趋近于一个常数 ,该常数为Ⅰ型断裂韧度KⅠC的 2～ 3倍 ,可认为是较合理的岩石Ⅱ型断裂韧度值 ;剪切盒实验是一种测定岩石KⅡC 的行之有效的方法 .     

剪切盒加载下岩石剪切(Ⅱ型)断裂韧度KⅡc的测定

采用剪切盒实验获得了岩石的Ⅱ型断裂并测定了岩石的Ⅱ型断裂韧度KⅡc,通过有限单元法中的位移法推导出剪切盒加载下双切口试样的Ⅱ型应力强度因子KⅡ的一般计算公式,并探讨了KⅡc的尺寸效应和Ⅱ型断裂机理.实验及数值计算结果表明在剪切盒加载下,裂纹尖端最大拉应力始终低于岩石的拉伸强度,最大剪应力大于其对应压应力下的剪切强度,且Ⅱ型最大应力强度因子KⅡmax为Ⅰ型最大应力强度因子KImax的2～4倍,从而导致产生Ⅱ型断裂;测得的KⅡ c值随无量纲切口长度(2a/W)的增加而降低,当2a/W≥0.7,且B≥W,α为65°～75°时,Kc趋近于一个常数,该常数为Ⅰ型断裂韧度KIc的2～3倍,可认为是较合理的岩石Ⅱ型断裂韧度值;剪切盒实验是一种测定岩石KⅡc的行之有效的方法.     

混凝土Ⅱ型断裂的FCM和断裂能

本文讨论了混凝土Ⅱ型断裂的机理,并给出了一个产生Ⅱ型断裂的充分条件.从而,提出了Ⅱ型虚拟裂纹模型(FCM).并据此用有限元计算了属于Ⅱ型的剪切断裂能和压剪断裂能.在用刚性加载架对混凝土试样测得剪切荷载-切口相对位移全曲线的基础上,获得了剪切断裂能和压剪断裂能的试验值,它与电算值相当接近.试验结果表明,混凝土Ⅱ型断裂能约为Ⅰ型断裂能的20倍.     

岩石裂纹亚临界扩展实验与压剪流变断裂模型

采用双扭试件的常位移松弛法对金川三矿区的大理岩、二辉橄榄岩和混合岩进行双扭试验,获得其裂纹扩展速率v与应力强度因子KI的关系及岩石断裂韧度,确定岩石亚临界门槛值K0。结合岩石压剪断裂理论和岩石亚临界裂纹扩展试验,建立压剪岩石裂纹翼形流变断裂扩展理论模型,提出翼形裂纹最终扩展长度由瞬时扩展长度和流变扩展长度组成。采用ANSYS断裂力学模块实现翼形裂纹尖端关键点随翼形裂纹扩展的自动生成,建立翼形裂纹流变扩展的数值分析模型。研究结果表明:采用常位移松弛法所测岩石的lg KI-lg v关系有很好的线性规律,3种岩石的K0/KIC在0.6~0.9之间;通过对算例进行理论分析和数值模拟,发现翼形裂纹流变断裂理论模型与数值分析结果很吻合。提出的岩石裂纹流变断裂理论为研究岩石裂纹流变扩展细观机理及岩体工程流变破坏的宏观机制提供了一个新的研究手段。     

基于离散元法的沥青混合料复合断裂行为研究

为了从细观角度深入分析沥青混合料复合断裂机理,基于沥青混合料细观结构特征,将材料分为粗集料、沥青砂浆和空隙3个组分,确定宏、细观接触模型参数的转换关系,构建具有细观特征的离散元模型;通过室内试验的结果验证了虚拟模型参数设置的合理性;基于数值模型进行不同预裂缝位置的三点弯曲梁试验,并对试件的裂缝扩展、应力水平和颗粒位移进行分析.结果表明:控制裂缝路径的主要因素是断裂模式,其次是集料与裂缝的相对位置,主裂缝扩展角较好地符合最大周向应力准则;随着Ⅱ型开裂比例的增加,沥青混合料断裂过程区的宽度变小,裂缝尖端主应力水平降低,软化特征逐渐减弱;裂缝两侧的位移随着预裂缝的偏移逐渐增大,试件趋于脆性破坏.     

岩石动态断裂韧度温度相关性的实验研究

利用CCCD-SHPB(Central Cracked Circular Disk-Split Hopkinson Pressure Bar)试验系统对花岗岩试件实施同一加载速率、不同温度下的纯I加载试验,进而研究环境温度对岩石类材料动态断裂性能的影响。实验过程中控制加载脉冲,使得测试试件的加载速率基本一致,测得不同温度下试件两端平均载荷P珔随时间的变化关系,将最大P珔max代入中心裂纹圆盘应力强度因子K I公式,获得不同温度下中心裂纹巴西圆盘岩石试件的动态断裂韧度K Id。测试结果表明,温度处于10~100℃时,花岗岩动态断裂韧度K Id随着温度的升高逐步下降,近似呈线性关系。     

I型裂纹尖端无位错区近场的微观断裂模型

经微观实验及在位错理论的基础上建立了Ｉ型裂纹尖端无位错区（ＤＦＺ）近场的微观断裂模型，对其进行了数值计算。结果表明：位错密度最大值处即是实验观察到的微孔洞萌生位置。     

基于离散元法的钢轨力学性能定性分析

为了更好地了解钢轨的本质特征,分析钢轨在列车荷载作用下的响应以及裂纹的萌生与变化规律,采用离散元法构建钢轨静力学分析模型并研究其静力学特性。通过抗拉强度试验仿真,验证离散元力学参数的可行性;在此基础上,对横纵断面钢轨的最不利状态进行静力加载分析,并进一步探究车轮垂向位移对钢轨裂纹演变规律的影响。研究结果表明：静力加载时,轮轨接触力主要由作用点附近的钢轨颗粒承担,距离作用点较远的钢轨内部颗粒承担的荷载较小;随车轮向下移动,初始阶段钢轨轨头出现小量倾斜,接触面增大而接触应力减小;随车轮位移增加,钢轨轨头和轨腰逐渐出现裂纹,并且裂纹不断扩展;在纵断面钢轨接头处,随车轮垂向位移增加,钢轨承担的荷载由轨头转向轨腰,轨底所承担的轮轨接触力较小;当车轮通过钢轨接头时,由于其对轨缝两侧钢轨分配的荷载不均匀,接头容易产生病害。     

岩石Ⅰ、Ⅱ复合型断裂判据的研究

本文采用三点弯曲、四点弯曲的断裂试验方法对岩石的断裂韧性以及Ⅰ-Ⅱ复合型断裂判据进行了研究,得出了岩石的Ⅰ-Ⅱ复合型断裂判据:K_Ⅰ~2+AK_ⅠK_Ⅱ+BK_Ⅱ~2=K_(ⅠC)~2并将试验结果与最大拉应力(σ_(θ_(max)))理论和最小应变能密度因子(S(θ_(min)))理论进行了分析比较。     

岩石断裂的研究

本文在压剪应力作用下对岩石进行了断裂试验,描述了岩石Ⅰ、Ⅱ复合型裂纹的压剪特征,并得出了岩石的压剪断裂判据。     

砂岩Ⅰ型断裂的尺寸效应试验研究

通过对尺寸成等比例的砂岩试样进行三点弯曲试验,研究了 Ⅰ 型断裂问题中试样尺寸对砂岩断裂参数的影响.结果表明:随着试样尺寸的增大,名义张拉强度减小,名义断裂韧度和破裂过程区长度增大,三者均为试样尺寸的函数.基于试验结果,引入有效破裂过程区长度cf,建立等效线弹性断裂力学尺寸效应模型,通过理论分析,发现其尺寸效应曲线介于理想脆性和理想塑性材料之间,体现出准脆性材料的尺寸效应特点,并计算得到了不同尺寸试样的破裂过程区长度等断裂参数.为验证该尺寸效应模型在砂岩中的正确性,采用数字图像匹配技术(DIC)测定相应尺寸砂岩试样的破裂过程区长度,测定结果和理论模型计算值相符.     

轴承钢GCr15断裂韧性K_(ⅡC)的试验研究

采用四点弯曲试样(FPB),对轴承钢GCr15在不同热处理制度下的滑移型(Ⅱ型)断裂韧性(K_(Ⅱc))进行了测定。试验结果表明,Ⅱ型断裂参数在如下范围内变化:K_(Ⅲc)=17～35MPa2~(1/m),裂纹扩展开裂角θ_o=55°～62°,K_(Ⅱc)/K_(Ⅰc)=1.1～1.6;下贝氏体(B下)含量在31％时的下贝氏体和马氏体(M)的复合显微组织(B下/M)有最佳的强韧性匹配,较高的断裂韧性值。在此基础上,对Ⅱ型断裂特征、不同热处理条件下材料强韧化机制和Ⅱ型断裂韧性试验方法进行了分析讨论。试验结果与线弹性复合型断裂理论的预测值进行了比较,对其差异和矛盾进行了分析讨论。     

岩石断裂控制爆破的裂纹扩展

工程控制爆破 ,要研究岩石的定向断裂的裂纹扩展。本文在进行了动载荷作用下径向裂纹产生扩展过程的动光弹试验 ,对应力波的起裂作用 ,爆炸气体的扩裂作用进行了分析研究。文章指出 ,爆破岩石的应力历程及损伤累积是岩石破裂首要条件 ,而原裂纹的存在条件影响裂纹扩展方向。探讨了爆破应力波作用下被激活裂纹数的分布规律和裂纹密度的表达式     

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...     

基于FDM-DEM耦合的岩石动态冲击特征方法

为探究动态冲击作用下岩石的力学特征,根据室内霍普金森冲击试验模型,基于有限差分(finite difference method, FDM)-离散元(discrete element method, DEM)耦合方法构建了三维分离式霍普金森压杆(split hopkinson pressure bar, SHPB)冲击数值模型,在模型入射杆端部施加半正弦冲击波进行动态冲击模拟,对三维离散元试样的动态应力时程曲线、裂纹时空演化等特征进行讨论,从细观力学角度分析岩石的动态冲击破坏过程。结果表明：三维耦合模型在动态冲击过程中能够很好地满足应力有效性检验,保证了冲击过程的可靠性;利用Fish语言编写的半正弦冲击波等效替代室内试验撞击杆的撞击作用可以在一定程度上消除入射波的弥散效应;动态冲击过程中,试样内部的裂纹发展可分为平静阶段、缓升阶段、陡增阶段和稳定阶段,且裂纹主要产生于应力峰后阶段,裂纹总量呈反Z形变化。     

基于缝端损伤区域的混凝土材料Ⅱ型裂缝扩展角研究

根据Ⅰ型裂缝和Ⅱ型裂缝在损伤与断裂耦合方面的联系,基于Ⅰ型裂缝的损伤方程推导出更适用于Ⅱ型裂缝的损伤演化方程,得到损伤区域的计算方法。通过损伤梯度研究Ⅱ型裂缝从损伤至开裂阶段裂缝发展方向的变化规律,最终得到Ⅱ型裂缝的扩展角是79°。将该扩展角与经典判据得到的扩展角进行对比,结果表明该方法是可行的。     

加载速率对岩石动态断裂韧度影响的试验

摘要：
采用CCCD SHPB(Central Cracked Circular Disk Split Hopkinson Pressure Bar)试验系统对花岗岩试件实施不同加载速率下的纯Ι型加载试验,测得平均载荷P(t)随时间的变化关系.将实测的载荷代入到推广的中心裂纹圆盘试件应力强度因子计算公式,获得花岗岩在不同加载速率下的动态断裂韧度,揭示加载速率与动态断裂韧度的相关性.试验结果表明,加载速率为50~350 GPa·m1/2/s时,随加载速率的增加,断裂韧度呈现出线性上升趋势.
关键词：
动态断裂韧度; 加载速率; 霍普金森压杆; 中心裂纹圆盘
中图分类号： TU 45
文献标志码： A