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含裂纹岩石巴西圆盘试件在冲击载荷下断裂参数的有限元计算

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岩石力学与工程学报 2007年第A01期26卷 2779-2785页

作者：曾祥国王清远姚杰李建军四川大学建筑与环境学院四川成都610065 重庆大学资源与环境科学学院重庆400044

采用LS-DYNA有限元软件,对含中心裂纹的岩石巴西圆盘试件在冲击压缩荷载作用下的变形过程进行数值分析。基于虚拟裂纹闭合技术,提出在冲击载荷作用下裂纹结构能量释放率和动态应力强度因子的计算方法,得到巴西盘试件的能量释放率和应力... 详细信息

采用LS-DYNA有限元软件,对含中心裂纹的岩石巴西圆盘试件在冲击压缩荷载作用下的变形过程进行数值分析。基于虚拟裂纹闭合技术,提出在冲击载荷作用下裂纹结构能量释放率和动态应力强度因子的计算方法,得到巴西盘试件的能量释放率和应力强度因子与时间的关系曲线,并给出不同冲击速率对该曲线的影响。对含中心裂纹的岩石巴西盘试件在冲击压缩荷载作用下I型断裂参数与II型断裂参数的时间历程曲线进行比较。计算结果表明:在相同冲击速度下,在同一时刻II型断裂参数的数值比I型断裂参数小几个量级,含中心裂纹的巴西盘试件可作为I型断裂模型处理。

关键词：岩石力学虚拟裂纹闭合法断裂参数巴西圆盘动态冲击数值模拟

用非连续变形分析方法模拟冲击荷载作用下巴西圆盘的破坏过程

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岩石力学与工程学报 2015年第9期34卷 1805-1814页

作者：马江锋张秀丽焦玉勇张焕强中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071

为研究岩石在冲击荷载作用下的破裂过程,运用岩体裂纹扩展破坏二维分析程序DDARF(discontinuous deformation analysis for rock failure),对大理石巴西圆盘试样在分离式霍普金森压杆SHPB试验中动态破裂全过程进行数值模拟研究。模拟结... 详细信息

为研究岩石在冲击荷载作用下的破裂过程,运用岩体裂纹扩展破坏二维分析程序DDARF(discontinuous deformation analysis for rock failure),对大理石巴西圆盘试样在分离式霍普金森压杆SHPB试验中动态破裂全过程进行数值模拟研究。模拟结果形象展示了试样在不同入射波作用下裂纹的萌生、演化、扩展及贯通破坏情形,且与试验结果吻合较好。对裂纹产生的力学机制、扩展过程及伴生现象做出了解释。研究结果表明:(1)改进的微观破裂准则不仅适用于模拟岩石静载破裂,而且可以用于模拟动载破坏;(2)巴西圆盘试样在受到冲击荷载作用时,主裂纹首先从一端产生,然后逐渐沿径向加载方向向中心延伸、扩展至另一端贯通破坏,裂纹尖端的拉应力是导致岩石开裂的原因;(3)主裂纹拓展过程中伴随着次生损伤微裂纹的产生,次生微裂纹主要集中在主裂纹两侧附近区域;(4)试样两端与入射杆、透射杆接触部分会产生三角形破裂区,且随着入射波幅值的增大,三角形破裂区域面积有增大的趋势。

关键词：岩石力学冲击荷载裂纹扩展数值模拟霍普金森杆试验巴西圆盘

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含张开/闭合裂隙的巴西圆盘裂纹扩展过程

煤炭学报 2021年第11期46卷 3459-3469页

作者：唐世斌孙康张永亮吴斐大连理工大学岩石破裂与失稳研究所辽宁大连116024 青岛理工大学机械与汽车工程学院山东青岛266520 重庆大学资源与安全学院重庆400044

大量的岩体失稳与节理、裂隙的起裂、扩展和贯通密切相关,裂纹扩展机理及分析方法研究具有重要的科学和工程意义。数值模拟作为一种有效的岩石破裂分析方法备受研究者青睐,但目前的模拟方法在分析压剪闭合等复杂裂隙的力学行为时,还存... 详细信息

大量的岩体失稳与节理、裂隙的起裂、扩展和贯通密切相关,裂纹扩展机理及分析方法研究具有重要的科学和工程意义。数值模拟作为一种有效的岩石破裂分析方法备受研究者青睐,但目前的模拟方法在分析压剪闭合等复杂裂隙的力学行为时,还存在诸如扩展路径锯齿化、网格依赖、扩展步长受限等问题。基于此,以巴西圆盘为基本研究对象,开展了不同初始裂隙类型(张开、闭合、填充)、接触摩擦、裂隙倾角等物理力学参数对裂纹扩展特性的影响及破裂机理的研究。首先,基于岩石断裂力学理论和裂纹尖端应力场,运用最大周向应力准则(MTS)研究了张开、闭合等初始裂纹扩展过程,分析了产生锯齿状扩展路径的内在原因,以及传统方法在快速、有效的裂纹扩展路径模拟方面存在的问题。在此基础上,建立了准脆性材料破裂局部化理论的岩体断裂模拟方法,避免了断裂参数计算不准的难题,显著提高了计算的易操作性和精度。此外,通过裂纹尖端区域的局部网格自动重划分,单步的扩展长度并不受网格大小的限制,解决了裂纹扩展的网格依赖问题。最后,通过对裂纹扩展过程力学特性以及起裂角度、扩展路径等分析,获得了整个破裂过程中裂隙面的接触、分离及再闭合等状态以及裂纹扩展的力学机理。该研究提高了岩石破裂过程模拟的效率和准确性,弥补了目前有关压剪应力状态下闭合裂纹扩展研究的不足,实现了破裂路径的精细模拟。

关键词：巴西圆盘裂纹扩展应力强度因子改进的断裂准则岩石破裂

加载方式及抗拉强度对巴西圆盘试验影响的连续-非连续方法数值模拟

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岩土力学 2017年第1期38卷 214-220页

作者：郭翔王学滨白雪元王春伟齐大雷辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000 辽宁工程技术大学计算力学研究所辽宁阜新123000 辽宁工程技术大学安全科学与工程学院辽宁阜新123000

研究了集中加载、加载板加载和平台加载3种不同加载方式对巴西圆盘的宏观力学行为、开裂过程以及材料的抗拉强度的影响。对于平台加载方式给出了不同平台加载角时抗拉强度的修正系数。在数值模拟中,采用了自主开发的连续-非连续方法,该... 详细信息

研究了集中加载、加载板加载和平台加载3种不同加载方式对巴西圆盘的宏观力学行为、开裂过程以及材料的抗拉强度的影响。对于平台加载方式给出了不同平台加载角时抗拉强度的修正系数。在数值模拟中,采用了自主开发的连续-非连续方法,该方法将拉格朗日元、变形体离散元及虚拟裂纹模型耦合在一起,既可以很好地模拟弹性阶段的变形,又可以较好地模拟材料的真实开裂过程。研究发现,采用平台加载方式,有利于圆盘中心起裂,而采用集中加载和加载板加载方式,圆盘的加载部位容易发生剪破坏。在圆盘中心起裂时,集中加载方式的抗拉强度的数值解最接近于选取的抗拉强度,然后是加载板加载方式,最后是平台加载方式。无论对于哪种加载方式,在材料的抗拉强度较小时,圆盘易于中心起裂,否则圆盘的加载部位将发生剪破坏。圆盘中心起裂后,众多微裂纹汇聚成的裂纹带在垂直方向不断扩展,直至贯穿整个圆盘,同时伴有应力波产生并传播。

关键词：巴西圆盘开裂抗拉强度加载板:巴西平台圆盘集中力连续-非连续方法数值模拟

不同加载率作用下双材料巴西圆盘动态抗拉强度试验研究

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岩石力学与工程学报 2020年第6期39卷 1175-1188页

作者：邱豪朱哲明张人凡王蒙王飞罗才松王兴渝四川大学建筑与环境学院四川成都610065 四川大学深地科学与工程教育部重点实验室四川成都610065 福建工程学院福建省土木工程新技术与信息化重点实验室福建福州350118

水泥砂浆广泛应用于岩石工程中,如巷道锚喷支护及山体滑坡注浆加固等,由于温度变化,岩石与砂浆之间的过渡区容易形成微裂隙薄弱区,同时地下岩体结构又常常承受着动载荷的作用,如爆破、冲击及地震等,因此研究岩石与水泥砂浆界面过渡区(in... 详细信息

水泥砂浆广泛应用于岩石工程中,如巷道锚喷支护及山体滑坡注浆加固等,由于温度变化,岩石与砂浆之间的过渡区容易形成微裂隙薄弱区,同时地下岩体结构又常常承受着动载荷的作用,如爆破、冲击及地震等,因此研究岩石与水泥砂浆界面过渡区(interface transition zone,ITZ)的强度及其破坏特征具有重要的意义。为此提出了岩石-砂浆双材料巴西圆盘构型,采用分离式霍普金森压杆系统对两种界面粗糙度(光滑和粗糙)的双材料巴西圆盘进行了冲击实验;同时,为了比较单一材料与双材料破坏性能的差异,还制备了单一花岗岩、砂岩和砂浆的巴西圆盘试样。为了克服双材料巴西圆盘的应力分布不均匀的问题,使用实验-数值法确定了其中心抗拉强度。并且,采用Python语言建立了两种试件批量嵌入cohesive单元的数值模型模拟双材料试件ITZ的失效过程。结果表明:(1)当动态加载率相同的条件下,双材料界面粗糙度对试件的应变率影响不大,但对试件抗拉强度影响较大;(2)相比于花岗岩-砂浆试件,界面粗糙度对砂岩-砂浆试件动态初始抗拉强度影响更大;(3)基于数值模型得出圆盘模型中心处存在切应力τxy,但拉应力σx远大于切应力τxy;(4)嵌入cohesive单元的数值模型破坏规律和现象与试验试件较为接近,校验了方法的有效性。

关键词：岩石力学双材料巴西圆盘巴西圆盘界面粗糙度抗拉强度冲击加载界面过渡区

巴西圆盘中心裂纹摩擦接触问题的逐点Lagrange乘子法

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工程力学 2013年第4期30卷 15-22页

作者：钟志鹏万水任大龙东南大学交通学院江苏南京210096

采用逐点Lagrange乘子法求解巴西圆盘中心裂纹在压剪荷载作用下裂纹面可能发生的摩擦接触问题。为了避免传统的Lagrange乘子法中总刚度阵求逆的困难,将Lagrange乘子逐点转到局部坐标系下,采用Gauss-Seidel迭代法求解法向和切向乘子,同... 详细信息

采用逐点Lagrange乘子法求解巴西圆盘中心裂纹在压剪荷载作用下裂纹面可能发生的摩擦接触问题。为了避免传统的Lagrange乘子法中总刚度阵求逆的困难,将Lagrange乘子逐点转到局部坐标系下,采用Gauss-Seidel迭代法求解法向和切向乘子,同时注意在求解的过程中对切向乘子约束修正,待所有点乘子求解完成后再变换到整体坐标系下迭代求解位移。与传统接触算法相比,该算法无需对总刚度阵求逆,降低了求解规模,提高了计算效率。通过该方法计算了巴西圆盘中心裂纹两种典型情况下的应力强度因子,计算结果与文献比较,吻合良好。考虑不同荷载角和裂纹长度对位移,应力强度因子和接触区的影响,并对不同摩擦系数下应力强度因子的影响进行了分析。结果表明:忽略裂纹接触摩擦作用,应力强度因子可能被高估。

关键词：巴西圆盘摩擦和接触逐点Lagrange乘子法压剪荷载应力强度因子

氧化石墨烯纳米片层增强水泥基复合材料的巴西圆盘劈裂试验研究

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应用力学学报 2018年第6期35卷 1333-1338,1425页

作者：武星星刘志芳王志勇侯成太原理工大学应用力学与生物医学工程研究所太原030024

采用巴西圆盘劈裂试验研究了氧化石墨烯纳米片层对水泥基复合材料力学行为的影响。制备了普通水泥砂浆和含0.03%(按水泥质量分数计算)氧化石墨烯水泥砂浆两种材料,并分别制成了中心直裂纹和不同倾角裂纹形式的巴西圆盘试件。对其进行了... 详细信息

采用巴西圆盘劈裂试验研究了氧化石墨烯纳米片层对水泥基复合材料力学行为的影响。制备了普通水泥砂浆和含0.03%(按水泥质量分数计算)氧化石墨烯水泥砂浆两种材料,并分别制成了中心直裂纹和不同倾角裂纹形式的巴西圆盘试件。对其进行了准静态加载下的劈裂试验,给出了试件的间接抗拉强度和纯I型、纯II型、I-II混合型断裂韧性。研究结果表明:氧化石墨烯纳米片层对水泥砂浆具有明显的增强作用,添加掺量为0.03%氧化石墨烯水泥砂浆其抗压强度提高了34.12%,间接抗拉强度提高了18.96%;纯I型断裂韧性提高了20.09%,纯II型断裂韧性提高了12.07%,I-II混合型断裂韧性提高了12.27%。

关键词：氧化石墨烯纳米片层水泥巴西圆盘间接抗拉强度断裂韧性

扩展边界元法研究围压下巴西圆盘应力强度因子

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应用力学学报 2018年第4期35卷 847-853页

作者：葛仁余曹兵张金轮安徽工程大学力学重点实验室芜湖241000

建立了扩展边界元法,研究围压作用下巴西V形切口圆盘(SV-BD)应力强度因子的新途径。首先在切口尖端区域挖取一微小扇形域,将该扇形区域的位移和应力场表示为有限项奇性指数和特征角函数的线性组合,代入弹性力学控制方程,导出关于巴西圆... 详细信息

建立了扩展边界元法,研究围压作用下巴西V形切口圆盘(SV-BD)应力强度因子的新途径。首先在切口尖端区域挖取一微小扇形域,将该扇形区域的位移和应力场表示为有限项奇性指数和特征角函数的线性组合,代入弹性力学控制方程,导出关于巴西圆盘切口应力奇性指数的常微分方程组特征值问题,运用插值矩阵法一次性计算出切口各阶应力奇性指数及其相应的位移特征角函数。再将位移和应力场的组合回代到在被挖去微小扇形域后的剩余结构内建立的边界积分方程,离散后求解出组合系数,同时获得巴西V形切口圆盘(SV-BD)应力强度因子。数值计算结果表明:扩展边界元法计算纯围压作用下巴西裂纹圆盘应力强度因子的结果与解析解的相对误差不超过0.548%,证明了论文方法的有效性;还表明纯围压作用下,随着切口张角的增大,巴西圆盘应力强度因子逐渐由负值向正值转化。因此,纯围压作用下,巴西裂纹圆盘和小张角巴西切口圆盘是闭合的,而大张角巴西切口圆盘是I型劈裂破坏的。

关键词：巴西圆盘应力强度因子围压扩展边界元法应力奇性指数

含初始裂纹巴西圆盘劈裂问题的非局部近场动力学建模

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固体力学学报 2017年第6期38卷 483-491页

作者：秦洪远韩志腾黄丹河海大学工程力学系南京211100

采用近场动力学方法对巴西圆盘劈裂破坏问题进行建模分析.在非局部键型近场动力学(Peridynamics,PD)理论基础上,通过引入物质点对的转动自由度构建双参数微观弹脆性近场动力学本构模型以突破常规模型的应用范围限制,并考虑岩石混凝土类... 详细信息

采用近场动力学方法对巴西圆盘劈裂破坏问题进行建模分析.在非局部键型近场动力学(Peridynamics,PD)理论基础上,通过引入物质点对的转动自由度构建双参数微观弹脆性近场动力学本构模型以突破常规模型的应用范围限制,并考虑岩石混凝土类固体材料的宏观拉压异性和断裂特征.引入动态松弛、粒子系统力边界条件和平衡收敛准则等算法,构建了完备的PD求解体系.实现了含不同倾角中心裂纹巴西圆盘受压劈裂破坏全过程的近场动力学数值模拟,裂纹扩展路径及破坏形式均与试验结果高度吻合.进一步分析了初始中心裂纹倾角及其相对长度对巴西圆盘破坏荷载的影响.

关键词：巴西圆盘劈裂近场动力学非局部模型