不同距离应变片测定Ⅰ型动态应力强度因子对比试验研究

基于线弹性断裂力学理论,采用应变片法开展了冲击动荷载作用下的三点弯曲试验,探讨距扩展裂纹不同距离的应变片测定Ⅰ型应力强度因子的差异。当应变片与扩展裂纹成特定锐角和钝角时,采用与裂纹扩展速度和应变片的位置相关的二项式表征裂纹尖端附近应变场,并结合理论解析和试验实测的应变与裂纹扩展时间曲线,推导得到了应力强度因子计算公式。同时,采用动焦散线试验对比分析应变片法测定的动态应力强度因子值。结果表明,应变片在裂纹尖端附近合理区域内,测定的裂纹尖端动态应力强度因子值与动焦散线试验结果吻合较好;明确了不同距离对测定Ⅰ型裂纹应力强度因子的影响,随着应变片粘贴距离变大,测定的动态应力强度因子值与动焦散线法相差增大。研究结果为进一步应用应变片法研究岩石类材料的断裂性能提供了试验基础。     

正入射爆炸应力波与运动裂纹作用的动态光弹性实验研究

采用动态光弹性实验方法,研究了正入射爆炸应力波对运动裂纹的作用效果。实验得到了运动裂纹与正入射爆炸应力波作用过程的光弹等差条纹变化图,分析了正入射爆炸应力波对运动裂纹尖端动态应力强度因子和裂纹扩展速度的影响效果,以及正入射爆炸应力波对运动裂纹扩展轨迹的影响。研究表明:正入射爆炸应力波对运动裂纹扩展方向没有明显影响,但对运动裂纹尖端动态应力强度因子和裂纹扩展速度有显著时间相关性的抑制和增强作用;当正入射爆炸应力波P波前端压缩脉冲相与运动裂纹相互作用时,裂纹扩展速度和裂纹尖端应力强度因子会受到抑制;当正入射爆炸应力波P波尾部拉伸脉冲相和S波与运动裂纹相互作用时,裂纹扩展速度和裂纹尖端应力强度因子则得到显著增强。     

压缩载荷作用下分支裂纹断裂与扩展的数值和实验研究

材料中裂纹形态比较复杂,有弯曲,交叉或者分支等等,通过数值和实验的方法研究了在压缩载荷作用下分支裂纹的断裂问题,考虑分支裂纹倾角和长度对应力强度因子和裂纹扩展的影响。结果表明：裂纹倾角的增加使I型应力强度因子减小,而裂纹长度的增大使应力强度因子增大,长度较大的分支裂纹对长度较小的有一定的抑制作用。通过对张开型分支裂纹和弯折裂纹砂岩试件的单轴压缩试验,发现砂岩试件的破坏形式主要是以I型翼型裂纹扩展为主,其起裂位置距离裂纹尖端的距离随着分支裂纹角度的增大而减小;分支裂纹倾角越大,其翼型裂纹起裂角就越小但相应的起裂载荷却越大。还对张开型裂纹和闭合型裂纹做了一定的比较,发现张开型裂纹的起裂角要大于闭合型裂纹的起裂角,但其起裂载荷却正好相反。     

冲击载荷作用下材料I型动态断裂行为研究

利用焦散线实验对含预制裂纹半圆盘试件在落锤冲击载荷作用下的断裂行为进行了研究,采用实验-解析法测定了试件受到的落锤冲击载荷的变化情况。实验结果表明：在裂纹起裂前,作用于试件上的冲击力总体表现为不断增大的趋势;当试件受到的冲击力达到最大值4.8KN之后,裂纹起裂并迅速扩展;裂纹起裂后,冲击力开始不断下降。在冲击载荷作用下,裂纹尖端的应力强度因子在起裂后会出现瞬间减弱的现象,这与裂纹尖端大量的微裂纹被“活化”有关系;但随着裂纹的继续扩展,裂纹尖端的应力强度因子又再次上升。裂纹的扩展速度在起裂后的扩展过程中基本保持匀速扩展,仅在距离边界一定范围内才出现快速下降的现象。     

冲击载荷作用下材料Ⅰ型动态断裂行为研究

利用焦散线实验对含预制裂纹半圆盘试件在落锤冲击载荷作用下的断裂行为进行了研究,采用实验-解析法测定了试件受到的落锤冲击载荷的变化情况。实验结果表明:在裂纹起裂前,作用于试件上的冲击力总体表现为不断增大的趋势;当试件受到的冲击力达到最大值4.8kN之后,裂纹起裂并迅速扩展;裂纹起裂后,冲击力开始不断下降。在冲击载荷作用下,裂纹尖端的应力强度因子在起裂后会出现瞬间减弱的现象,这与裂纹尖端大量的微裂纹被"活化"有关系;但随着裂纹的继续扩展,裂纹尖端的应力强度因子又再次上升。裂纹的扩展速度在起裂后的扩展过程中基本保持匀速扩展,仅在距离边界一定范围内才出现快速下降的现象。     

不同节理间距条件下岩体双孔爆破动焦散试验研究

采用爆炸加载数字激光动态焦散线测试系统(DLDC),研究双孔同时起爆条件下3条平行预制裂纹的扩展行为及裂纹尖端应力强度因子的变化规律,分析预制裂纹间距对其扩展及断裂破坏的影响规律。研究结果表明:双孔同时起爆条件下,炮孔近端预制裂纹尖端应力强度因子均呈先增大后减小的趋势,表明爆炸荷载作用分为两个阶段:加载阶段和卸载阶段,其中卸载阶段裂纹尖端应力强度因子逐渐减小,但扩展速度较大,在爆炸过程中占主导地位;中间裂纹扩展效果明显的试样中,其尖端应力强度因子从峰值6.52×10~5N/mm~3/2逐渐减小,并且两组试样的中间预制裂纹尖端扩展方向不同,表明中间预制裂纹扩展属于卸载扩展,爆炸应力波对中间预制裂纹尖端扩展主要起导向作用,爆生气体在中间预制裂纹尖端扩展过程中占主导作用;中间预制裂纹尖端扩展效果受与其贯通的两条次生裂纹的垂直距离影响,距离越小,中间预制裂纹尖端扩展越充分。     

35CrNiMo圆柱齿轮齿根弯曲疲劳裂纹扩展分析及寿命预测

基于断裂力学理论,利用有限元软件Abaqus和FRANC3D对产生裂纹的齿轮进行疲劳裂纹扩展。在齿轮上预置一定形状的裂纹,利用有限元软件计算裂纹前端的应力情况,并计算得出裂纹前端应力强度因子和扩展角度等;并进行下一步的扩展,预测裂纹扩展的轨迹,计算裂纹疲劳扩展速率,以此预测含有裂纹齿轮的剩余寿命。     

基于断裂力学理论的结构裂纹扩展机理分析

阐述了断裂力学理论的研究现状及应用范围,同时基于断裂力学理论,对结构断裂的扩展机理进行分析,论述了3种不同裂纹类型的应力强度因子对裂纹扩展的影响。同时,利用有限元分析软件Abaqus设立位移增量分析步,对裂纹扩展全过程进行模拟,并运用断裂力学理论对结构断裂的扩展过程进行更详细分析。研究结果表明:结构中裂纹扩展与否,与裂纹的应力强度因子有着必然联系,当裂纹的应力强度因子大于其断裂韧性时,裂纹将发生扩展。     

爆炸荷载作用下共线不等长双裂纹拓展规律研究

为研究爆破应力波作用下裂隙岩体破坏规律,基于经典Kachanov法,推导共线不等长裂纹尖端静态应力强度因子,结合断裂力学原理得出动载荷作用下耦合应力强度因子与比例系数的关系,并通过模型试验对不同应力波入射角、不同裂纹长度、不同裂纹间距等情况进行验证。试验结果表明,应力波入射角、共线裂纹长度及裂纹间距是影响裂纹拓展的重要因素;裂尖起裂角随应力波入射角的不同而变化;端部比例系数与裂纹拓展长度变化趋势相同;次裂纹长度越大、裂纹间距越小,裂尖拓展长度越长;当间距大于1.2倍次裂纹长度,不再影响裂尖拓展。     

冲击载荷作用下含孔洞缺陷介质断裂行为研究

采用新型数字激光动态焦散线试验系统,对含孔洞缺陷和预制边裂纹的半圆盘试件进行了三点弯曲动态冲击实验。实验结果表明:在动态冲击载荷作用下,试件边裂纹处的应力集中程度较试件内部的孔洞缺陷处的应力集中程度更加显著;当孔洞位于裂纹前方时,孔洞对裂纹的扩展速度有抑制作用,且这种抑制作用随着孔洞与边裂纹尖端距离的增加有所减弱;当裂纹再次从孔洞处起裂时,裂纹的扩展速度和应力强度因子和裂纹与孔洞贯通前相比,均出现较大的上升,试件S1、S2中,裂纹扩展速度分别上升了1070%、138%,相应的裂纹尖端应力强度因子分别上升了61%、67%;裂纹的扩展速度与裂纹尖端的应力强度因子呈一定的正相关性,但受裂纹前方附近孔洞周围应力场的影响,裂纹尖端的应力强度因子有一定提高。     

局部荷载下含中心孔洞煤体裂纹扩展特征量化分析

采用高清数码摄像机和红外热成像仪,对含中心孔洞煤体试件在局部荷载作用下的裂纹扩展规律进行系统的试验研究,研究分析煤体试件在不同加载面积作用下试件表面裂纹的萌生、扩展、贯通,直至形成宏观破坏的整个过程中表现出的特征与规律。试验结果表明:局部荷载作用下含中心孔洞煤体试件裂纹扩展是加载条件和宏观中心孔洞耦合作用结果,裂纹扩展路径受其主导作用,而由孔、裂隙系统引起的非均质性则占据从属地位;均布荷载条件下,孔洞周边形成拉、剪应力区,且裂纹由此起裂,孔洞是引起应力集中的主导因素,但随着加载面积的改变,孔洞的主导地位被颠覆,应力集中强弱顺序发生突转,起裂位置由孔洞周边转向荷载临界处;受载面积对含中心孔洞试件裂纹扩展的影响具有区域性特点,且明显集中出现于有载荷作用的区域;随局部荷载的增加,初始裂纹的尺度(裂纹宽度和长度)不断增加,且裂纹的发展方向出现明显的非平直化趋势。     

双孔爆炸应力波作用下缺陷介质裂纹扩展的动焦散试验

利用爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统(DLDC),研究了两切槽炮孔爆破爆生主裂纹和由预制缺陷尖端衍生的次裂纹扩展的动态力学行为。研究结果表明,两切槽炮孔同时起爆后,爆生主裂纹没有相互交汇贯通而是止于预制裂纹断面处,表明缺陷对定向断裂控制爆破效果有着重要的影响;次裂纹与主裂纹并没有直接贯通,而是呈"勾连状"的止于对方裂纹面上。与水平预制缺陷相比,垂直预制缺陷对主裂纹的扩展影响更大,其次裂纹在拉伸应力场的作用下而以I型扩展;当膨胀P波与运动着的裂纹相互作用时,裂纹扩展速度和裂尖动态应力强度因子都减小。     

不同角度预制裂隙条件下双孔爆破裂纹扩展规律

隧道等地下工程爆破施工中,节理、裂隙等缺陷的存在往往对最终的爆破效果起到至关重要的作用,尤其倾斜缺陷存在时,超欠挖现象十分突出。基于含倾斜缺陷模型裂纹动态扩展的复杂性,采用新型数字激光动焦散线试验系统,在双孔同时起爆条件下,研究不同倾斜角度预制裂隙条件下爆生裂纹的扩展规律。研究结果表明:爆生主裂纹与衍生裂纹分别相向扩展,最终二者非直接相遇,而是以"勾连"形式贯通;裂纹扩展前期,爆生裂纹尖端同时受到压缩波及剪切波的作用,剪切波开始作用时间晚于压缩波,裂纹尖端主要以压缩波产生的拉应力作用而扩展,同一时刻爆生裂纹尖端应力强度因子K_Ⅰ大于K_(Ⅱ);裂纹尖端的裂纹扩展速度、应力强度因子及能量释放率等特征量整体呈先增大后减小的趋势。裂纹扩展后期,裂纹尖端主要受爆生气体的准静压作用,特征量呈振荡式变化;在一定范围内,随着预制裂隙倾斜角度的增加,特征量峰值更高,爆生主裂纹和衍生裂纹扩展的时间更长,扩展的距离更远;随着预制裂隙倾斜角度的增大,爆生主裂纹与衍生裂纹尖端之间最终围成的破坏面积更大,爆炸荷载与预制裂隙相互作用更加明显。本试验的研究成果为分析介质存在节理、裂隙等缺陷时,爆破裂纹扩展的物理过程提供了参考。     

基于黏聚力单元法的单双射孔水力裂缝扩展数值模拟研究

为研究单双射孔下的水力劈裂规律,基于Abaqus的黏聚力单元损伤本构,建立了含单双射孔裂隙的有限元模型,对不同水力压裂因子D下的裂纹扩展过程,位移矢量进行了数值模拟研究。结果表明:单裂隙情况下,裂纹扩展产生于裂缝尖端,随着水压的不断增大,D值较小的工况裂缝沿着最大主应力的方向发展,对于D值较大的情况而言,裂缝将呈现45°的破坏特征。双裂隙情况下,裂隙内侧存在裂缝相互干扰的问题,D=1,D=5和D=20时,两条射孔裂隙的内侧端先互相远离,然后互相搭接,最终形成一条相互作用区域,当D=2时,内侧端将直接搭接;裂纹的位移矢量揭示了裂纹扩展机理。单裂隙情况裂缝尖端的位移矢量向两侧散开,裂纹呈现典型的“拉裂”现象,主要发生I型破坏;双裂纹内侧尖端产生应力“相互作用环”,产生典型的剪切破坏现象;基于数值模拟产生的拉伸破坏与剪切破坏特征,对拉伸破坏与剪切破坏机理进行了讨论,得到了拉伸与剪切破坏的临界条件。     

相邻巷道围岩动态裂纹起裂与扩展行为研究

为研究冲击荷载下相邻巷道截面周边岩体动态裂纹起裂与扩展的力学行为特性,借助新型数字激光动态焦散线实验系统,使用类岩石介质材料PMMA制作双截面巷道模型进行冲击实验,并基于ABAQUS数值模拟平台对裂纹扩展过程进行仿真。结果表明:当相邻截面预制裂纹偏转角度分别为45°、22.5°、0°、-22.5°、-45°时,裂纹起裂时的动态应力强度因子不同。裂纹起裂后的动态应力强度因子变化有一个“平台段”,持续时间为160 μs左右; 当右侧裂纹逐渐远离左侧截面时,左侧裂纹起裂后的扩展速度会有所增大。双截面巷道动态裂纹起裂扩展时,相邻截面会在一定程度上影响动态应力强度因子和扩展速度。右侧裂纹尖端靠近左侧裂纹时,后者的起裂韧度降低,即较容易起裂。     

裂隙岩石冻融循环下裂纹扩展特征研究

高寒山区工程岩体往往在水和温差作用下，受到往复的冻融荷载作用，导致岩体裂纹扩展甚至破坏。通过开展-20～20 ℃范围内4类含裂隙岩石冻融循环试验，分析了不同岩性裂纹扩展类型和原因、裂纹扩展随冻融循环增加的全过程，并讨论了20次冻融循环下灰岩和红砂岩的裂纹扩展机理。结果表明：含裂隙岩石裂纹扩展可分为3种类型：沿上部裂隙尖端贯通岩桥、沿上部裂隙尖端环向扩展和无明显裂纹破坏；板岩的水平板理导致裂纹沿环向扩展，灰岩局部发育的软弱面使裂纹反倾下部裂隙扩展，花岗岩高强度和低孔隙率的特征使其难以在此次试验条件下产生宏观裂纹。断裂力学分析揭示了灰岩和红砂岩呈Ⅰ型裂纹扩展的原因，表明初始裂纹扩展方向与上部裂隙走向近似，裂纹扩展长度与岩石抗拉强度和断裂韧度有关。     

爆炸载荷裂纹扩展的应力强度因子及其断裂行为

为进一步对爆炸作用下裂纹扩展问题进行定量分析,提出采用动焦散实验方法研究爆炸载荷的裂纹扩展机理,为研究岩石爆破机理提供了一种新的有效实验方法。使用切缝药卷的定向断裂形成初始裂纹,采用透明材料进行了爆炸加载的透射动焦散实验。研究了爆炸载荷下的裂纹起裂、发展和止裂的动态扩展行为,分析了其破坏模式、动态应力强度因子及裂纹扩展速度。     

含弧形预制裂隙砂岩力学特征试验研究

天然岩体中富含近似弧形裂隙缺陷,在外荷载作用下弧形裂隙容易萌生新生裂纹,新生裂纹的扩展容易导致岩石工程的失稳,但针对含弧形预制裂隙岩石力学相关特征的研究还不够全面,基于此在板状黄砂岩试样内预制了不同γ值(弧形高度和直径比值)的弧形裂隙,研究含弧形预制缺陷砂岩的力学特征。利用高压水射流切割机在完整板状黄砂岩试样中切割出不同γ值弧形裂隙缺陷,采用YNS-2000型电液伺服控制试验系统、DS2声发射和数字照相采集系统研究了不同弧形裂隙γ在单轴压缩作用下对黄砂岩峰值强度、平均模量、割线模量、声发射、破坏过程、起裂形式、起裂应力和破坏形式的影响规律。利用复变函数求解在弧形裂隙应力场中所构建的黎曼-希尔伯特问题,获得尖端应力强度因子表达式。试验结果表明:①弧形裂隙缺陷砂岩试样随着γ的增大,峰后试样的承载能力逐渐降低,试样峰值强度、平均模量和割线模量出现总体减小趋势,当γ=0.2时峰值强度最大为27.09 MPa;当γ=1时峰值强度最小为18.99 MPa。②预制弧形裂隙γ对试样起裂应力、起裂位置、破裂演化过程、声发射特征和破坏模式均具有重要影响,随着γ值的增大,试样起裂应力呈总体减小趋势,当γ=0.8时,试样的平均起裂应力最小,其值为4.99 MPa;当γ=0时,试样的平均起裂应力值为11.08 MPa,平均起裂应力值最大。③随着γ的增大,试样的破坏模式由拉剪混合破坏向拉伸破坏转变,当γ=0时,试样为拉剪破坏;当γ在0.2～1.0时,试样为拉伸破坏。初始起裂裂纹扩展并不是导致试样最终破坏的原因,次生裂纹的扩展与自由面贯通才是导致试样整体破坏原因,试样破坏瞬间释放大量弹性能导致岩块折断和表面剥落现象。通过对含弧形裂隙裂纹扩展机制探讨推导出应力强度因子表达式,并根据该表达式求出相应应力强度因子值,曲线拟合后发现其变化趋势与试验值变化趋势基本吻合。研究仅通过单轴压缩作用研究发现弧形裂隙γ对砂岩力学参数、破裂演化过程和破坏形式影响明显,为了充分研究外界荷载对含弧形裂隙砂岩的破坏特征,将通过改变加载形式和加载路径深入研究含该类缺陷岩石的力学特征。