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无烟煤断裂韧度与断裂过程区各向异性试验研究

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煤炭学报 2024年

作者：龚爽赵毅鑫张寒松周永恒赵灿鑫王文煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南理工大学能源科学与工程学院中国矿业大学(北京)能源与矿业学院

为了测定原生层理构造引起各向异性对无烟煤断裂韧度和断裂过程区(FPZ)孕育特性的影响，在MTS液压伺服试验系统上对不同层理倾角直切槽半圆弯曲(NSCB)无烟煤试样进行了I型三点弯曲加载试验。结合数字图像相关法(DICM)和声发射(AE)定位... 详细信息

为了测定原生层理构造引起各向异性对无烟煤断裂韧度和断裂过程区(FPZ)孕育特性的影响，在MTS液压伺服试验系统上对不同层理倾角直切槽半圆弯曲(NSCB)无烟煤试样进行了I型三点弯曲加载试验。结合数字图像相关法(DICM)和声发射(AE)定位技术研究了裂纹尖端FPZ孕育过程。同时，基于Irwin-Bazant模型、Strip-yield均匀牵引模型和Strip-yield线性牵引模型，对无烟煤样完全发育FPZ长度进行预测，并与试验结果进行了对比分析。探讨了各向异性无烟煤FPZ几何形态以及不同层理角度无烟煤FPZ孕育过程中剪切和拉伸变形时序特征。结果表明：无烟煤的峰值载荷、峰值位移和断裂韧度均随层理倾角的增加而增大；与0°层理角度煤样相比，层理角度为22.5°、45°、67.5°和90°的煤样平均断裂韧度分别增大了6.76%、86.82%、85.47%和134.46%。Irwin-Bazant模型和Strip-yield均匀牵引模型预测的不同层理角度试样FPZ长度比试验值更短，而Strip-yield线性牵引模型预测值普遍高于试验值，Strip-yield均匀牵引模型对无烟煤FPZ长度预测与试验值最为接近。表明无烟煤试样裂纹尖端内聚力分布形态更加趋于均匀。无烟煤试样FPZ长度与断裂韧度和抗拉强度比值的平方成正比：L∝(KIC/σt)2。裂纹尖端变形以拉伸为主，剪切为辅，拉伸变形范围分布于27.71%～57.26%Pmax，剪切变形范围分布于72.88%～92.4%Pmax，裂纹尖端的拉伸变形发生时刻优先于剪切变形。层理角度为0°和45°试样各环向测量线上的应变场分布呈类似洋葱切面纹理分布，而90°试样的最大主应变监测值在大部分测量角度呈波动无序分布。无烟煤试样FPZ尖端各方向发散测线上，应变增加梯度并不相同。研究成果有助于进一步理解掌握含层理弱面无烟煤裂纹起裂与扩展机制，为煤层压裂增透缝网改造调控方法提供理论指导。

关键词：无烟煤断裂韧度断裂过程区裂纹扩展各向异性

Ⅱ型Ⅲ型动态裂纹尖端断裂过程区近似评估方法

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工程力学 2020年第7期37卷 223-229页

作者：姬晨濛戚承志北京工业大学建筑工程学院北京100124 北京建筑大学北京未来城市设计高精尖中心2011节能减排协同创新中心北京100044

动态裂纹尖端断裂过程区轮廓的确定问题仍然是一个没有得到完全解决的问题。基于弹性动力学的理论和复应力函数方法,提出一种伪应力函数方法,用于近似评估动态裂纹尖端应力场。通过与已知应力场计算结果对比,验证了伪应力函数的正确性... 详细信息

动态裂纹尖端断裂过程区轮廓的确定问题仍然是一个没有得到完全解决的问题。基于弹性动力学的理论和复应力函数方法,提出一种伪应力函数方法,用于近似评估动态裂纹尖端应力场。通过与已知应力场计算结果对比,验证了伪应力函数的正确性。利用此近似方法通过Von Mises强度准则和Tresca强度准则,分别确定了不同强度准则条件下、不同裂纹扩展速度下断裂过程区的轮廓。计算结果表明:II型和III型动态裂纹尖端断裂过程区关于裂纹面对称分布,随着裂纹扩展速度增大而增大。当裂纹传播速度接近瑞利波速时,断裂过程区变化加剧。利用Tresca强度准则计算得到的动态裂纹尖端断裂过程区面积比利用Von Mises强度准则计算得到的断裂过程区的面积大。

关键词：动态裂纹断裂过程区应力函数应力场裂纹扩展速度

准脆性材料断裂过程区中的圆饼微裂纹损伤计算

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力学季刊 2020年第2期41卷 288-296页

作者：王利民薛辉庭张春巍徐世烺李霞青岛理工大学理学院土木工程学院山东青岛266033 浙江大学土木建筑学院浙江杭州310058

准脆性工程材料及结构在外力作用下,不仅引起内部缺陷变化和微裂纹的出现及发展,且使得其结构承载能力降低或性能劣化.在其材料失效过程中常存在裂缝与断裂损伤过程区.为研究材料细观缺陷或微裂纹与宏观破坏的规律,通过细观力学方法,对... 详细信息

准脆性工程材料及结构在外力作用下,不仅引起内部缺陷变化和微裂纹的出现及发展,且使得其结构承载能力降低或性能劣化.在其材料失效过程中常存在裂缝与断裂损伤过程区.为研究材料细观缺陷或微裂纹与宏观破坏的规律,通过细观力学方法,对于代表性体积单元RVE中的圆饼型微裂纹的尺寸与密度变化,探讨其宏观断裂过程区力学参量与损伤之间的量化关系.借助宏观断裂过程区的黏聚裂纹模型,将损伤单元RVE嵌入到宏观裂缝端部的断裂过程区中,对其进行联接细观损伤到宏观破坏的力学多尺度研究.文中也通过实验数据,对其理论计算结果进行了算例的讨论与分析.

关键词：准脆性材料断裂过程区细观力学微裂纹损伤变量多尺度分析

基于DIC方法与声发射的花岗岩断裂过程区范围研究

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岩石力学与工程学报 2022年第12期41卷 2497-2508页

作者：傅帅旸李海波李晓锋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 中国科学院大学北京100049 多伦多大学土木与矿物工程系多伦多M5S1A4

岩石在断裂过程中容易在裂纹尖端产生断裂过程区(fracture process zone,FPZ),断裂过程区的几何特征决定了岩石材料断裂特征和宏观力学行为,直接影响工程岩体的安全性和稳定性。为研究花岗岩断裂过程区的孕育特征及演化过程,在MTS液压... 详细信息

岩石在断裂过程中容易在裂纹尖端产生断裂过程区(fracture process zone,FPZ),断裂过程区的几何特征决定了岩石材料断裂特征和宏观力学行为,直接影响工程岩体的安全性和稳定性。为研究花岗岩断裂过程区的孕育特征及演化过程,在MTS液压伺服试验机上对带切口半圆盘试样进行三点弯I型加载试验。借助数字图像相关方法(digital image correlation,DIC)和声发射(acoustic emission,AE)定位技术对宏微观尺度下I型裂纹尖端的断裂过程区孕育过程进行研究。采用自编程的声发射信号识别与定位方法,得到微裂纹事件空间分布密度阈值和能量分布,确定微观尺度上断裂过程区的范围和外边界,结合宏观DIC方法得到岩石的断裂过程区的临界应变值εFPZ。同时,使用Irwin-Bazant模型确定试样完全发育的断裂过程区长度,并与试验结果进行对比。结合试样波速,进一步得到裂纹端部临界张开度解析解。结果表明:(1)试验所用岩石断裂过程区临界应变值为1.8‰左右;(2)断裂过程区长度理论值与试验值吻合良好,对于试验所用岩石,断裂过程区的理论长度为5.2~8.7 mm,试验结果为5.0~8.0 mm;(3)断裂过程区的边界可认为是沿裂纹扩展方向声发射能量由高能量突变并维持在低能量的位置。

关键词：岩石力学声发射数字图像相关方法断裂过程区裂纹张开度花岗岩

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砂岩方梁断裂过程区范围的实验确定方法

实验力学 2020年第2期35卷 287-299页

作者：乔洋张盛刘少伟王猛河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454001 煤炭安全生产河南省协同创新中心河南焦作454001

裂纹前端的断裂过程区是引起岩石非线性断裂及尺寸效应的主要原因。利用数字图像相关技术对砂岩开展了三点弯曲梁实验,获得观测区域高精度的全场位移和应变数据,根据断裂韧带区域水平位移和水平应变的分布特征,结合裂尖岩石颗粒变化的... 详细信息

裂纹前端的断裂过程区是引起岩石非线性断裂及尺寸效应的主要原因。利用数字图像相关技术对砂岩开展了三点弯曲梁实验,获得观测区域高精度的全场位移和应变数据,根据断裂韧带区域水平位移和水平应变的分布特征,结合裂尖岩石颗粒变化的微观分析,提出采用裂纹尖端水平位移波动性和水平应变突变性所得到的波动系数和水平应变突变值,确定断裂过程区形状和临界尺寸的方法。结果表明:砂岩断裂过程区的形状为不规则的狭长带状区域,断裂过程区的临界长度为11~13mm,临界宽度为1.58~2.36mm。断裂过程区区域内形变在趋向裂尖时呈指数增加,但其单位区域内的形变增量呈波动状态。该方法能够更加准确判断岩石断裂过程区的范围,有助于分析岩石的非线性断裂特性。

关键词：断裂过程区数字图像相关法水平位移波动性水平应变突变性三点弯曲梁

满足断裂过程区裂纹张开位移条件应力函数的半解析解法

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应用数学和力学 2018年第8期39卷 979-988页

作者：侯永康段树金安蕊梅石家庄铁道大学土木工程学院石家庄050043 石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室石家庄050043

基于Duan-Nakagawa模型,采用加权积分法,提出了一种满足断裂过程区裂纹张开位移条件应力函数的半解析解法.该方法结合边界选点法,通过叠加含有相同裂纹长度但断裂过程区长度不同的解析函数,得到满足给定裂纹张开位移的权函数,再进行加... 详细信息

基于Duan-Nakagawa模型,采用加权积分法,提出了一种满足断裂过程区裂纹张开位移条件应力函数的半解析解法.该方法结合边界选点法,通过叠加含有相同裂纹长度但断裂过程区长度不同的解析函数,得到满足给定裂纹张开位移的权函数,再进行加权积分得到相应的应力函数和位移函数.以带板对称边裂纹I型问题为例,应用上述方法成功导出了特定的应力函数和位移函数,以及相应的拉应变软化曲线和断裂能.

关键词：断裂力学断裂过程区半解析解法应力函数裂纹张开位移拉应变软化曲线对称边裂纹

混凝土断裂过程区特性分析及断裂尺寸效应研究

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混凝土断裂过程区特性分析及断裂尺寸效应研究

作者：杨显华重庆交通大学

学位级别：硕士

断裂过程区的存在使得线弹性断裂力学(LEFM)不再适用于混凝土结构的断裂分析,也是导致混凝土尺寸效应的主要原因,对混凝土断裂过程区特性分析一直是混凝土材料力学领域急需解决的问题。混凝土是一种准脆性材料,其断裂过程区是较为复杂性... 详细信息

断裂过程区的存在使得线弹性断裂力学(LEFM)不再适用于混凝土结构的断裂分析,也是导致混凝土尺寸效应的主要原因,对混凝土断裂过程区特性分析一直是混凝土材料力学领域急需解决的问题。混凝土是一种准脆性材料,其断裂过程区是较为复杂性的,迄今为止,国内外对混凝土材料断裂机理的研究还没有一个公认的结论,混凝土软化参数的取值问题也有待解决。因此本文采用试验研究与数值计算相结合的方法,分析了三点弯曲梁试件断裂过程区的位移分布规律,进一步明确了混凝土断裂机理和过程区力学特性,并研究了混凝土断裂参数在试件高度和厚度方向的尺寸效应。本文主要开展的工作如下:(1)采用数字图像相关技术(DIC)观测了带预制裂缝的三点弯曲梁试件在加载全过程裂纹的扩展情况,并采用电阻应变片法测量了混凝土三点弯曲梁试件的起裂点和起裂荷载。(2)通过试验研究得到的断裂全过程位移场,研究了混凝土材料三点弯曲梁断裂试验中裂纹沿断裂过程区张开位移分布规律,并分析了不同荷载级别所对应的断裂过程区尺寸以及裂纹张开位移分布斜率随试件高度和厚度的变化规律。(3)通过DIC方法获得了裂纹沿断裂过程区的位移分布,并在此基础上获取了混凝土的软化参数。将不同荷载下模型计算的张开位移分布、裂纹扩展长度以及位移分布斜率等与试验结果进行了比较。(4)在试验结果的基础上,从混凝土断裂过程区的软化参数出发,计算了混凝土三点弯曲试件断裂试验中的断裂参数,分别研究了试件高度和厚度对各断裂参数的影响规律,并将本文建立的软化参数获取模型与双K断裂模型以及尺寸效应模型进行了比较,解释了混凝土的尺寸效应现象。

关键词：混凝土三点弯曲试件断裂过程区断裂模型尺寸效应

不同尺寸和形状的砂岩试样断裂过程区的发育特征研究

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不同尺寸和形状的砂岩试样断裂过程区的发育特征研究

作者：王宏越河南理工大学

学位级别：硕士

岩石试样的形状和尺寸影响岩石断裂参数的准确测定,其原因与岩石断裂过程区(Fracture process zone(FPZ))的存在相关联,明确FPZ内的微裂纹发育规律有助于深入理解岩石的断裂特征,对于指导岩土工程设计具有重要意义。在GCTS RTX-3000岩... 详细信息

岩石试样的形状和尺寸影响岩石断裂参数的准确测定,其原因与岩石断裂过程区(Fracture process zone(FPZ))的存在相关联,明确FPZ内的微裂纹发育规律有助于深入理解岩石的断裂特征,对于指导岩土工程设计具有重要意义。在GCTS RTX-3000岩石力学试验机上,采用直径分别为50 mm、100 mm、150 mm、200 mm的中心直裂缝半圆盘(Semi-circular bend(SCB))和中心直裂缝圆盘(Center-cracked circular disk(CCCD))砂岩试样分别进行了三点弯曲、劈裂加载试验。结合数字图像关联法分析了不同尺寸试样FPZ的演化过程,并采用PFC2D软件模拟两种形状试样的FPZ与尺寸之间的规律。得到的主要研究结论如下:(1)两种形状试样的FPZ形状都类似于条带状,峰值时刻不同尺寸的SCB试样的FPZ长度大约为宽度的2～2.5倍,而CCCD试样的FPZ形状更加狭长,其长度是宽度的2.6～3.9倍。(2)SCB和CCCD试样裂尖两端张开模式基本相同,都经历缓慢、线性、加速增长三个阶段,当载荷达到80%～90%峰值之间时裂纹张开速度都发生转折,此阶段也是FPZ快速发育的转折点,裂纹张开速度和FPZ发育速度呈正相关关系。(3)当载荷达到60%～65%峰值之间时,两种形状试样的FPZ开始发育,峰值时刻其范围都达到最大值,峰后都保持不变;载荷越接近峰值,FPZ发育越迅速,仅在90%峰值到峰值之间增长的FPZ长度占到总长度的二分之一。(4)SCB试样和CCCD试样峰值载荷下的FPZ长度和宽度都会随着试样尺寸的增加而增加,但两者FPZ长度的涨幅都逐渐减小。归一化长度即FPZ长度与韧带的比值会随着试样尺寸的增加而减小。(5)同一尺寸的CCCD试样的FPZ长度大于SCB试样,而CCCD试样的FPZ宽度小于SCB试样。试验和数值模拟结果都显示CCCD试样裂尖的拉应力区域长度大于SCB试样。两种试样FPZ长度的尺寸效应可以通过数值模拟得到与试验相一致的规律。数值模拟得到的FPZ长度与试验结果存在一定的误差,且SCB试样的误差值较小。(6)试样尺寸相同的情况下,CCCD试样的断裂韧度小于SCB试样,两种试样测试的断裂韧度值存在尺寸效应,都随着尺寸的增加而增加。图61幅,表9个,参考文献76篇

关键词：数字图像关联法裂纹张开位移断裂过程区发育特征尺寸效应

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混凝土断裂过程区能量耗散值研究

水利学报 2012年第S1期43卷 145-152页

作者：胡少伟米正祥陆俊范向前南京水利科学研究院材料结构研究所江苏南京210029 河海大学力学与材料学院江苏南京210029

深入了解混凝土断裂过程区的能量耗散,不但对全面理解混凝土的断裂破坏机理有重要的研究意义,而且对混凝土实际结构裂缝的稳定性检测与预测预报有重要的工程价值。基于此,本文根据Hillerborg提出的断裂能定义,给出了计算断裂过程中任意... 详细信息

深入了解混凝土断裂过程区的能量耗散,不但对全面理解混凝土的断裂破坏机理有重要的研究意义,而且对混凝土实际结构裂缝的稳定性检测与预测预报有重要的工程价值。基于此,本文根据Hillerborg提出的断裂能定义,给出了计算断裂过程中任意时刻单位长度裂缝扩展所需能量的通用表达式,并采用双线性软化本构关系,对通用式作了进一步的推导与简化,得到了计算断裂能的简单、实用而且精度高的数值解。最后,以10根不同缝高比的三点弯曲梁为例,给出了详细的计算步骤;计算结果与由σ-CMOD曲线所测得的断裂能进行比较,结果表明两者吻合较好。同时,根据试验结果讨论了缝高比对断裂能的影响,发现断裂能随缝高比的增大而减小。

关键词：混凝土断裂过程区断裂能有效裂缝长度软化本构关系