考虑半圆盘试样预制裂缝几何参数影响的岩石断裂韧度尺寸效应研究

发布时间：2020-06-30 04:51

【摘要】：岩石断裂韧度是岩石抵抗裂纹起裂和扩展的韧性性能,也是岩石断裂力学中最为基本的参数。因此,准确地测得岩石断裂韧度对岩土类工程结构设计来说具有重要的意义。基于国际岩石力学协会(ISRM)于2014年推荐用做静态断裂韧度测试的NSCB试样,采用数值模拟和试验室测定的方法,研究了人工预制裂缝宽度和长度对不同半径的NSCB试样断裂韧度的影响,并运用应变片、声发射和数字散斑等技术手段对试样的破裂过程进行监测,利用Bazant尺度律公式研究了NSCB试样断裂韧度的尺寸效应。介绍了NSCB试样的断裂韧度测试原理,基于Bazant尺寸效应理论,推导获得了NSCB试样无量纲能量释放率的表达式,给出了获取断裂韧度尺寸效应公式的方法,最后介绍了求解应力强度因子的几种方法。采用有限元软件ABAQUS分析了预制裂缝宽度、长度以及试样半径对NSCB试样的无量纲应力强度因子的影响,结果表明:在0.0~2.0mm范围内,随着预制裂缝宽度的增加,NSCB试样的无量纲应力强度因子在不断地增大,预制裂缝长度越长,增加的速度就越快,而试验支撑间距对增加的速度基本上不产生影响;在预制裂缝长度方面,当无量纲预制裂缝长度位于0.1~0.8范围内时,随着预制裂缝长度的增加,NSCB试样的无量纲应力强度因子呈现出先减小后增加的规律。对NSCB试样进行了三点弯曲断裂试验,结果表明:随着预制裂缝宽度的增加,NSCB试样的断裂韧度整体上呈现出增加的趋势,并且试样半径尺寸越小,增加的幅度就越大,说明了小尺寸的NSCB试样更容易受到预制裂缝宽度的影响;随着无量纲预制裂缝长度的增加,NSCB试样的断裂韧度呈现出明显的下降趋势,半径越小的试样其下降幅度越大;随着试样半径的增加,NSCB试样的断裂韧度也在不断地增加,但这种增加的趋势会随着预制裂缝长度的变化呈现出不同的规律。结合试验数据,获得了NSCB试样断裂韧度尺度律公式,并运用该公式预测了大尺寸试样的断裂韧度。结果表明:NSCB试样断裂韧度尺度律公式能够很好的预测大尺寸试样的断裂韧度,误差不超过3%,并与通过试样其它力学参数估算得到的断裂韧度值具有良好的吻合性。上述研究成果为今后采用NSCB试样准确测得岩石断裂韧度提供了一定的参考,对于推动NSCB建议方法有积极的作用。
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD313
【图文】：

标定结果,文献,区域网,密度

3.1.2 有限元标定结果的影响因素在对无量纲应力强度因子正式标定前，需要考虑模型整体划分单元和节点数、裂尖附近区域内网格划分密度以及裂尖附近区域网格划分方法对有限元分析结果可能会产生的影响。为了考察这些因素对分析结果的影响，采用含有线裂纹（即理想裂纹）的 NSCB 试样，分析上述三个因素的影响。（1）网格划分密度的影响在ABAQUS软件中，控制网格划分密度的方式有两种即全局布种和局部布种。为了更加准确地得到网格密度对数值计算结果的影响，先是采用全局布种技术给模型整体布置不同密度的种子，分析模型整体网格密度对计算精度的影响，然后选出合适的模型整体网格布种密度，在此基础上对裂尖附近区域进行不同程度的加密，找出计算精度最高的裂尖附近区域网格密度与其它区域网格密度的比值，（a）不同载荷（b）不同裂纹长度图 3-2 本文标定结果与文献[71]的比较Fig. 3-2 Comparison between the results of this paper and the literature [71]

第一积分,区域半径,裂尖,积分区域

图 3-3 网格密度对计算结果的影响Fig. 3-3 Influence of grid density on calculation results（2）裂尖积分区域大小的影响在 ABAQUS 对裂缝尖端的应力强度因子进行求解过程中，在 Interaction 模块裂尖的第一个积分区域进行选择，而这个区域一般是我们在 Assembly 模块中对裂尖附近区域进行分割好的，如图 3-4 所示。但该分割区域的大小可能也有限元计算结果产生影响，为了研究这一因素是否存在影响以及其影响有多本文对图 3-4 中积分区域半径 R*与裂纹长度 a 的比值 R*/ a 在 0.05~0.5 范围内变化，分析应力强度因子计算结果变化趋势。（a）整体网格密度划分的影响（b）裂尖区域网格密度划分的影响

【参考文献】