基于3D-ILC含偏心内裂纹半圆弯拉断裂特性研究

断裂力学是各行业的基础学科之一。半圆弯拉(SCB)试验为该领域经典试验,目前含裂纹的SCB研究多为底部切口等表面裂纹或穿透型裂纹研究。内裂纹和内部类裂纹缺陷是材料的固有属性,但是对于SCB内裂纹扩展规律研究较少。基于3D-ILC（三维激光疲劳内裂纹）技术,分析了表面无任何影响的情况下凭空生成任意参数的纯内裂纹,在SCB试样中生成内裂纹,对含内裂纹试样进行SCB试验,分析了裂纹生长过程、应力双折射规律、I-II-III型裂纹扩展面、破坏形态、宏微观断口特征,开展数值模拟,得到裂纹尖端应力强度因子分布规律及扩展路径,与物理试验一致。结果表明：（1）基于3D-ILC的SCB内裂纹及I-II-III型扩展断裂规律明显,3D-ILC为断裂力学中的内裂纹问题研究提供了有力工具;（2）应力云纹在内裂纹处显示应力集中,SCB整体云纹在内裂纹处发生明显变异;（3）SCB试样从预制裂纹处发生压剪型起裂,发生I-II-III型裂纹扩展,分为光滑区和撕裂区,持续生长转变为动态断裂进而破坏,动态断口存在裂纹分叉出现雾化区、羽毛区特征;（4）根据M积分和最大周向应力准则,对试样进行了数值模拟,得到了试样内裂纹尖端应力强度因子分布规律及扩展路径,与试验结果一致。结论与成果对断裂力学领域的SCB试验、内裂纹、I-II-III型断裂问题、裂纹扩展路径模拟问题的研究,具有重要意义。     

基于3D-ILC球体45º三维双内裂纹复合断裂研究

断裂力学是各领域基础科学,材料内裂纹相互作用是断裂力学的重要研究领域,但目前球体内裂纹相互作用研究成果较少。基于三维激光疲劳内裂纹（3D-ILC）技术,在对球体试样表面无任何损伤的情况下,制作三维平行纯内裂纹,开展45o倾角平行双内裂纹单轴压缩试验,对双内裂纹的裂纹扩展过程、应力双折射规律、断口特征、破坏形态、相互作用等多方面开展研究,进行含双内裂纹I-II-III型圆球断裂数值模拟,分析KⅠ、KⅡ、KⅢ分布规律,与试验相符。结果表明：（1）球体双内裂纹在单轴压缩下之间发生屏蔽作用,主裂纹面穿过两预制内裂纹;（2）翼型裂纹光滑区呈现I-II型裂纹断口特征,翼型裂纹侧面撕裂区呈现“矛状”III型裂纹特征;（3）基于M积分计算的KI、KII、KIII分析与基于断裂特征的I、II、III型裂纹类型分析一致。3D-ILC技术可用于球体内裂纹相互作用断裂试验研究,球体内裂纹试验与理论分析为脆性材料内裂纹扩展及相互作用研究提供试验与理论参考。     

单轴应力下的孔洞–裂隙扩展规律数值模拟

为研究不同孔洞-裂隙（简称"孔-隙"）赋存条件下的裂纹扩展规律,利用RFPA软件,对不同裂纹倾角及不同非均质系数下的岩体破坏进行数值模拟分析,获得其裂纹扩展过程、声发射规律、应力-应变曲线,同时与原试验结果进行对比验证。结果表明:完整试样裂纹沿着剪切方向产生,含孔-隙试样裂纹沿裂隙尖端及孔口侧边产生;翼裂纹贯穿试件的同时,在预制裂纹尖端或孔口侧边产生水平方向的次生裂纹,并产生分叉,非均质系数影响次生裂纹走向;压载前期试样以拉破坏为主,压载后期以拉-剪组合破坏为主,次生裂纹的产生与剪切破坏有关;声发射累计能量与声发射累计数前期缓慢增大,后期迅速增大,预制裂纹倾角越小,非均质系数越大,声发射累计能量越大;不同裂纹倾角及不同非均质系数试件的应力-应变曲线均经历3个阶段:弹性变形阶段、非线性变形阶段及残余变形阶段,孔-隙的存在降低了试样的峰值强度,影响试件的脆性度。研究结果为进一步认识孔-隙相互作用规律提供了参考。      

基于3D-ILC含偏心内裂纹SCB断裂特性研究

断裂力学是各行业的基础学科之一。半圆弯拉试验(SCB)为该领域经典实验,目前含裂纹的SCB研究多为底部切口等表面裂纹或穿透型裂纹研究。内裂纹和内部类裂纹缺陷是材料的固有属性,但是对于SCB内裂纹扩展规律研究较少。基于3D-ILC技术(对表面无任何影响的情况下,凭空生成任意参数的纯内裂纹),在SCB试样中生成内裂纹,对含内裂纹试样进行SCB试验,对裂纹生长过程、应力双折射规律、Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ型裂纹扩展面、破坏形态、宏微观断口特征等进行分析,开展数值模拟,得到裂纹尖端K_Ⅰ,K_Ⅱ,K_Ⅲ分布规律及扩展路径,与物理试验一致。结果表明:(1)基于3D-ILC的SCB内裂纹及Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ型扩展断裂规律明显,3D-ILC为断裂力学中的内裂纹问题研究提供了有力工具;(2)应力云纹在内裂纹处显示应力集中,SCB整体云纹在内裂纹处发生明显变异;(3)SCB试样从预制裂纹处发生压剪型起裂,发生Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ型裂纹扩展,分为光滑区和撕裂区,持续生长转变为动态断裂进而破坏,动态断口存在裂纹分叉出现雾化区、羽毛区特征;(4)根据M积分和最大周向应力准则,对试样进行了数值模拟,得到了试样内裂纹尖端K_Ⅰ、K_Ⅱ、K_Ⅲ分布规律及扩展路径,与试验结果一致。结论与成果对断裂力学领域的SCB试验、内裂纹、Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ型断裂问题、裂纹扩展路径模拟问题的研究,具有重要意义。     

基于3D-ILC含60°内裂纹脆性球体Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型断裂研究

球体作为自然界最完美的几何形态、也是生活工业中常见的几何形态,球体的力学特性对工程安全及数值仿真具有重要意义。内裂纹和内部类裂纹缺陷是材料的固有属性,对材料力学特性影响巨大。由于各类瓶颈问题,而当前研究都未能考虑球体的内裂纹问题。对于真实世界里,脆性球体的内裂纹如何扩展都尚未有认知。基于3D-ILC (三维激光疲劳内裂纹)技术,在对球体试样表面无任何影响的情况下生成纯封闭内裂纹,开展单轴压缩下脆性球体60°内裂纹扩展断裂试验,与完整圆球试样对比,得到裂纹扩展及试样破坏过程、起裂与破坏荷载、翼裂纹面形态特征及撕裂区特征、破坏形态规律,并基于M积分得到内裂纹尖端Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ、K_Ⅲ分布规律,与试验结果对比以得到验证。结果表明:(1)试样裂纹形态主要有:上翼裂纹、下翼裂纹、主裂纹;(2)单轴压下球体内裂纹出现翼型扩展并呈现复杂的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型裂纹特征,翼裂纹扩展由光滑区与撕裂区组成,光滑区裂纹面基本光滑且尖端圆滑为Ⅰ-Ⅱ型裂纹,撕裂区具备"二叉树"形态特征为Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型裂纹,存在非连续现象;(3)基于M积分的裂纹尖端K_Ⅰ、K_Ⅱ、K_Ⅲ分布规律,裂纹光滑区、撕裂区的力学机制分析与试验一致;(4) 3D-ILC在球体内裂纹研究中的适用性得到证明,为解决球体及断裂力学中的内裂纹及Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型断裂问题提供了有力工具。成果是对当前无法考虑内缺陷的球体颗粒力学研究的很好的补充,同时,为断裂力学中三维问题、内裂纹问题、Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型裂纹问题等研究,提供试验和理论参考。     

基于3D-ILC含60°内裂纹脆性球体I-II-III型断裂研究

球体作为自然界最完美的几何形态、也是生活工业中常见的几何形态,球体的力学特性对工程安全及数值仿真具有重要意义。内裂纹和内部类裂纹缺陷是材料的固有属性,对材料力学特性影响巨大,由于各类瓶颈问题,而当前研究都未能考虑球体的内裂纹问题,对于真实世界里,脆性球体的内裂纹如何扩展都尚未有认知。基于3D-ILC技术,在对球体试样表面无任何影响的情况下,生成纯封闭内裂纹,开展单轴压缩下脆性球体60°内裂纹扩展断裂试验,与完整圆球试样对比,得到裂纹扩展及试样破坏过程、起裂与破坏荷载、翼裂纹面形态特征及撕裂区特征、破坏形态规律,并基于M积分得到内裂纹尖端K_(I)、K_(II)、K_(III)分布规律,与试验结果对比验证。结果表明：(1)试样裂纹形态主要有：上翼裂纹、下翼裂纹、主裂纹;(2)单轴压下球体内裂纹出现翼型扩展并呈现复杂的I-II-III型裂纹特征,翼裂纹扩展由光滑区与撕裂区组成,光滑区裂纹面基本光滑且尖端圆滑为I-II型裂纹,撕裂区具备“二叉树”形态特征为I-II-III型裂纹,存在非连续现象;(3)基于M积分的裂纹尖端K_(Ⅰ)、K_(Ⅱ)、K_(Ⅲ)分布规律,裂纹光滑区、撕裂区的力学机制分析与试验一致;(4)3D-ILC在球体内裂纹研究中的适用性得到证明,为解决球体及断裂力学中的内裂纹及I-II-III型断裂问题提供了有力工具。成果是对当前无法考虑内缺陷的球体颗粒力学研究的很好的补充,同时,为断裂力学中三维问题、内裂纹问题、I-II-III型裂纹问题等研究,提供试验和理论参考。     

基于3D-ILC含60°内裂纹脆性球体I-II-III型断裂研究

球体作为自然界最完美的几何形态、也是生活工业中常见的几何形态,球体的力学特性对工程安全及数值仿真具有重要意义。内裂纹和内部类裂纹缺陷是材料的固有属性,对材料力学特性影响巨大,由于各类瓶颈问题,而当前研究都未能考虑球体的内裂纹问题,对于真实世界里,脆性球体的内裂纹如何扩展都尚未有认知。基于3D-ILC技术,在对球体试样表面无任何影响的情况下,生成纯封闭内裂纹,开展单轴压缩下脆性球体60°内裂纹扩展断裂试验,与完整圆球试样对比,得到裂纹扩展及试样破坏过程、起裂与破坏荷载、翼裂纹面形态特征及撕裂区特征、破坏形态规律,并基于M积分得到内裂纹尖端K_(I)、K_(II)、K_(III)分布规律,与试验结果对比验证。结果表明：(1)试样裂纹形态主要有：上翼裂纹、下翼裂纹、主裂纹;(2)单轴压下球体内裂纹出现翼型扩展并呈现复杂的I-II-III型裂纹特征,翼裂纹扩展由光滑区与撕裂区组成,光滑区裂纹面基本光滑且尖端圆滑为I-II型裂纹,撕裂区具备“二叉树”形态特征为I-II-III型裂纹,存在非连续现象;(3)基于M积分的裂纹尖端K_(Ⅰ)、K_(Ⅱ)、K_(Ⅲ)分布规律,裂纹光滑区、撕裂区的力学机制分析与试验一致;(4)3D-ILC在球体内裂纹研究中的适用性得到证明,为解决球体及断裂力学中的内裂纹及I-II-III型断裂问题提供了有力工具。成果是对当前无法考虑内缺陷的球体颗粒力学研究的很好的补充,同时,为断裂力学中三维问题、内裂纹问题、I-II-III型裂纹问题等研究,提供试验和理论参考。     

孔槽式圆盘破坏特性与裂纹扩展机制颗粒流分析

基于室内岩石类脆性材料圆盘试样巴西试验结果,利用颗粒流程序（PFC）,获得一组能够反映其力学特征的细观参数。在此基础上,对孔槽式圆盘试样进行巴西试验模拟,分析了裂隙倾角和半径比变化对孔槽式圆盘试样力学参数和裂纹扩展规律的影响。孔槽式圆盘试样力学参数显著低于完整圆盘试样,降幅与孔槽几何参数密切相关。劈裂荷载随裂隙倾角的增大呈非线性变化,而随着半径比的增大呈近似线性减小规律。通过分析认为,在试验模拟范围内保持半径比不变,当裂隙倾角较小时,孔洞是主裂纹起裂的主要诱因;裂隙倾角较大时,裂隙成为主裂纹起裂的主要诱因。保持裂隙倾角不变,当半径比较小时,裂隙是主裂纹起裂的主要诱因;半径比较大时,孔洞成为主裂纹起裂的主要诱因。最后,从细观层面探讨了孔槽式圆盘试样裂纹扩展机制。     

基于颗粒流的直切槽式巴西圆盘裂纹扩展分析

利用颗粒流程序（PFC) 对直切槽式圆盘试样进行巴西试验模拟,分析了不同的裂隙倾角和裂隙长度对直切槽式圆盘试样裂纹扩展规律的影响。根据起裂位置的不同,主裂纹可分为从裂隙尖端萌生的Ⅰ型主裂纹和从裂隙尖端一定距离处萌生的Ⅱ型主裂纹;次生裂纹可分为从加载点附近萌生的Ⅰ型次生裂纹和从远离加载点的一侧萌生的Ⅱ型次生裂纹。当裂隙长度保持不变而增大裂隙倾角时,主裂纹从Ⅰ型过渡为Ⅱ型,次生裂纹则从Ⅰ型转变为Ⅰ型和Ⅱ型共存,最后又变为Ⅰ型。当裂隙角度保持不变而增大裂隙长度时,主裂纹保持不变,次生裂纹则由Ⅰ型逐渐过渡为Ⅰ型和Ⅱ型共存。另外,当径向应力达到峰值应力之后,试样内会有大量的微裂纹萌生、扩展,造成了圆盘试样的破坏。从力链和能量角度来看,巴西圆盘试样的破裂过程是试样内部拉应力集中产生的颗粒间黏结破裂以及应变能释放的过程。     

含预制裂纹巴西盘试样破裂模式的数值模拟

利用岩石破裂过程分析系统（RFPA）软件, 进行了岩石含中心裂纹的巴西盘在单轴压缩荷载作用下破裂过程的数值模拟。数值模拟再现了含不同预制裂纹角度时巴西盘试样所表现出不同的破裂模式以及主裂纹的产生、扩展、贯通、次生裂纹的产生等过程,得到的破裂模式结果与有关文献中的实验结果十分吻合。除此以外,数值试验还能够给出在物理实验中不能观察到的应力场信息及岩石的破裂机制。     

空孔形状对岩石定向断裂爆破影响规律的研究

利用新型数字激光动态焦散线试验系统,采用有机玻璃板试件进行模型试验,研究了含预制不同形状空孔对岩石定向断裂控制爆破的影响规律。试验结果表明：在定向断裂控制爆破中,设置菱形空孔更有利于实现精细化定向断裂控制爆破,可有效保证巷道周边眼爆破的成型效果;对比含3种不同形状空孔试件爆生主裂纹扩展速度可知,含菱形空孔的扩展速度最大,含圆形空孔的次之,含带刻槽圆形空孔的最低;含圆形空孔试件爆生主裂纹端部动态应力强度因子总体比含菱形和切槽圆形空孔试件爆生主裂纹端部动态应力强度因子大;主裂纹扩展中后期阶段,含菱形空孔试件爆生主裂纹端部动态应力强度因子相对较小。     

模拟岩石中裂纹扩展连接的近场动力学方法

脆性岩石材料在压应力作用下常出现两类裂纹：翼型张拉裂纹和次生剪切裂纹。近场动力学是一种新型的无网格数值计算方法。在近场动力学理论中,采用积分形式的控制方程代替微分形式的控制方程使得该数值算法在断裂问题上具有独特的优势。将Mohr-Coulomb准则和最大主应力准则引入非普通“态”基近场动力学理论中,分别用于模拟材料常见的压剪和张拉破坏。这种扩展的非普通“态”基近场动力学可以有效地模拟脆性岩石材料在多种受力状态下的裂纹起裂、扩展和连接问题。通过5个不同的数值算例说明该数值算法在处理脆性岩石材料断裂问题的有效性和准确性。首先,通过模拟含圆孔的弹性板拉伸数值试验说明该数值算法的有效性和准确性。其次,数值模拟了简单三点弯曲试验以及不使用其他外部准则条件下动荷载作用下裂纹的分叉试验,所得结果与其他试验结果或数值结果相吻合,从而验证了该理论的有效性。然后,模拟了包含斜裂纹的巴西圆盘试验,裂纹扩展路径和计算所得的断裂韧度同样吻合于试验结果。最后,模拟了单轴压缩状态下,预制裂纹试样的裂纹扩展和连接问题。将该数值算法与试验结果对比表明,所提出的数值方法可以模拟和预测岩石类材料的张拉和压剪裂纹的起裂、扩展和连接行为。     

岩石非理想裂纹圆盘试件动态断裂韧性测试的有限元分析及试验研究

采用中心裂纹圆盘-霍普金森压杆(CCCD-SHPB)试验系统对大理岩中心裂纹圆盘试件进行不同加载速率下的纯Ⅰ型加载试验,研究岩石材料动态断裂韧性的加载速率相关性。考虑到试验中所使用的圆盘试件是带有中心切口的非理想裂纹,结合试件的实际加工情况,提出采用切口尖端形状为小圆弧形的预制裂纹,介绍了试件的制作方法,并利用有限元计算论证了采用这种形状非理想裂纹试件的试验可行性。结果表明,采用圆弧形裂尖、裂纹宽度为1 mm的中心切口非理想裂纹圆盘试件来代替理想裂纹圆盘试件是可行的,误差不超过2.13%。分析试验数据得出：非理想裂纹圆盘试件在纯Ⅰ型加载条件下,其断裂韧度表现出明显的速率相关性,且随着加载速率的增大而增大。     

基于数字图像相关法的两类岩石断裂特征研究

岩石破坏时的临界断裂特征,如过程区长度,裂缝口张开位移是运用断裂力学解决岩石断裂问题的关键所在。传统测量方法,如应变片、直线位移传感器无法获得岩石破坏时的全场变形,因此,也无法准确地获得上述断裂特征。数字图像相关法是一种光学的变形测量方法,其通过试样表面的数字图像采集及相关计算,能够获得岩石破裂过程各个阶段的高精度全场变形特征。利用该试验手段,对两类岩石,即相对较硬的大理岩和相对较软的黄砂岩开展了一系列半圆盘三点弯曲断裂试验并获得了岩石断裂时的临界变形场,对变形场进行分析,从而确定了两类岩石破坏时临界特征、过程区长度及裂缝口张开位移。结果表明,大理岩的断裂过程区长度明显小于黄砂岩的断裂过程区长度,峰值时黄砂岩COD的值均大于相同裂纹长度的大理岩,而较软岩的力学行为更容易受边界效应的影响。上述研究有助于进一步了解不同类型岩石的断裂发展过程并采用相应的方法来解决岩石破裂问题。     

Fracture in a heterogeneous medium: a network approach

Fracture in a heterogeneous medium is simulated by a network model. Heterogeneity is introduced by randomly distributing an initial population of cracks on a triangular network of bonds. Each ruptured bond represents a crack. External stresses are applied onto the network and the evolution of the crack population is analysed when the stresses are increased. A crack will propagate to an intact bond if the critical crack extension force is reached. This propagation leads to the coalescence of bonds: crack clusters are formed. When their shapes are complex we approximate them by simpler ones to compute a crack extension force. Crack interactions are introduced by adding for a given bond the contributions of all adjacent dusters. By using this kind of approach combining fracture mechanics and network modelling, we are able to simulate the rupture of a rock specimen under compression/ traction or shear stresses and to give some characteristics of the macroscopic fracture.     

Analyses of Inclined Cracks Neighboring Two Iso-Path Cracks in Rock-Like Specimens Under Compression

Crack propagation process in pre-cracked rock like specimens has been studied experimentally and numerically considering three cracks in the middle part of each specimen. The rock-like specimens are specially prepared from Portland pozzolana cement, fine sands and water. These pre-cracked cylindrical specimens (each containing a single inclined crack in the neighborhood of two iso-path cracks) are experimentally tested under compressive loading. The same problems are numerically simulated by a modified displacement discontinuity method using higher order displacement discontinuity elements and higher order special crack tip elements for crack tip treatment to increase the accuracy of the Mode I and Mode II stress intensity factors obtained based on linear elastic fracture mechanics theory. The crack propagation and coalescence paths of the inclined crack are estimated by implementing a suitable iteration algorithm of incremental crack length extension in a direction predicted by using the maximum tangential stress criterion. The numerical and analytical crack extension analyses are compared which are in good agreement and show the validity, applicability and accuracy of the present work.     

单轴压缩下含倾斜单裂纹砂岩试件裂纹扩展量测研究

选用砂岩作为试验材料,进行不同倾斜角度单预制裂纹的单轴压缩试验研究,透过裂纹扩展量测技术以及配合相关断裂准则,得到：(1) 理论与实验的裂纹起裂角随裂纹倾斜角增加而增大;(2) 透过相关断裂准则,砂岩试件在裂纹尖端产生反翼裂纹是因为剪力破坏;(3) 在单轴压缩作用下砂岩试件裂纹扩展受单裂纹的倾斜角影响,当裂纹倾斜角较小时,裂纹不易起裂;当裂纹倾斜角较大时,裂纹起裂比较容易;(4) 在单轴压缩作用下砂岩试件则受单预制裂纹的倾斜角影响,当裂纹倾斜角较小时,裂纹扩展属于非稳定扩展;当裂纹倾斜角较大时,裂纹扩展属于稳定扩展;(5) 在单轴压缩作用下砂岩试件裂纹尖端A侧与裂纹尖端 B侧的裂纹扩展平均速度随裂纹倾斜角增加而降低。     

Three-Dimensional Numerical Investigations of the Failure Mechanism of a Rock Disc with a Central or Eccentric Hole

The diametrical compression of a circular disc (Brazilian test) or cylinder with a small eccentric hole is a simple but important test to determine the tensile strength of rocks. This paper studies the failure mechanism of circular disc with an eccentric hole by a 3D numerical model (RFPA3D). A feature of the code RFPA3D is that it can numerically simulate the evolution of cracks in three-dimensional space, as well as the heterogeneity of the rock mass. First, numerically simulated Brazilian tests are compared with experimental results. Special attention is given to the effect of the thickness to radius ratio on the failure modes and the peak stress of specimens. The effects of the compressive strength to tensile strength ratio (C/T), the loading arc angle (2α), and the homogeneity index (m) are also studied in the numerical simulations. Secondly, the failure process of a rock disc with a central hole is studied. The effects of the ratio of the internal hole radius (r) to the radius of the rock disc (R) on the failure mode and the peak stress are investigated. Thirdly, the influence of the vertical and horizontal eccentricity of an internal hole on the initiation and propagation of cracks inside a specimen are simulated. The effect of the radius of the eccentric hole and the homogeneity index (m) are also investigated.