含2条偏置三维内裂纹试件单轴拉伸下裂纹扩展数值模拟

发布时间：2021-08-31 01:17

　　为探究不同岩桥角及不同裂纹倾角下的标准立方体试件在单轴拉伸作用下的裂纹扩展及裂纹尖端的应力强度因子的变化规律,利用Franc3d软件对不同方案的含两条偏置三维裂纹的试件进行了单轴拉伸数值模拟研究,同时以单轴拉伸下含单裂纹试件的试验结果作为验证对比,验证了数值模拟的合理性。结果表明,不同岩桥角与不同裂纹倾角下双裂纹试件裂纹之间呈现"相互吸引"与"相互排斥"作用;预制裂纹内侧尖端的翼裂纹扩展小于预制裂纹外侧尖端;相对Ⅰ型应力强度因子随着预制裂纹尖端距离的变化呈现先增大后减小再增大再减小的规律,相对Ⅱ型应力强度因子随着预制裂纹尖端距离的变化呈现先减小后增大再减小再增大的趋势;岩桥角越大,整体上的相对Ⅰ型应力强度因子越小,不同岩桥角的相对Ⅱ型应力强度因子几乎一致;预制裂纹的倾角越大,相对Ⅰ型应力强度因子越小,而相对Ⅱ型应力强度因子总体上越大。研究成果为进一步认识裂纹扩展特性奠定了基础。 

【文章来源】：水电能源科学. 2019,37(05)北大核心

【文章页数】：5 页

【部分图文】：

图１计算模型及网格剖分Ｆｉｇ．１Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｍｏｄｅｌａｎｄｍｅｓｈｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ

。计算边界条件设为模型底部施加三个方向固定的位移约束，模型上部施加ｘ、ｚ方向固定的位移约束，同时ｙ方向施加应力边界。图１计算模型及网格剖分Ｆｉｇ．１Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｍｏｄｅｌａｎｄｍｅｓｈｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ３．２网格划分采用自适应网格技术划分网格，裂纹尖端点处由一层“四分点奇异楔形裂纹前沿单元”构成，往外由两层以上“砖形单元”构成，距离裂纹尖端较远处由“四面体单元”进行划分，“四面体单元”与“砖形单元”之间通过“金字塔形单元”过渡。裂纹尖端网格划分见图２。３．３模拟方案将试件分为两组，分别研究岩桥角β与三维内裂纹倾角α对试件裂纹扩展与裂纹尖端应力强度因子的影响。具体方案为：①方案１。预制三维内裂纹的倾角α＝３０°，岩桥角β分别为６０°、９０°、１２０°、１８０°。②方案２。岩桥角β＝１２０°，预制三维内裂纹的倾角α分别为０°、３０°、４５°、６０°。图２裂纹尖端网格Ｆｉｇ．２Ｃｒａｃｋｔｉｐｍｅｓｈ３．４模拟验证取文献［４］中的室内试验来验证数值模拟的合理性，文献［４］对含三维预制裂纹的标准立方体试件在单轴拉伸作用下进行了室内试验，本文对预制裂纹倾角α＝３０°方案进行了数值模拟，数值模拟结果与文献［４］的断口图见图３。由图３可知，裂纹尖端呈现“翼裂纹”状扩展，最终破裂面沿着试件横向破坏，即裂纹最终扩展逐渐垂直于最大主应力方向，验证了数值模拟的合理性。图３数值模拟与室内试验验证Ｆｉｇ．３Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｌａｂｏｒａｔｏｒｙｔｅｓｔｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ３．５模拟结果分析

内裂纹的倾角α＝３０°，岩桥角β分别为６０°、９０°、１２０°、１８０°。②方案２。岩桥角β＝１２０°，预制三维内裂纹的倾角α分别为０°、３０°、４５°、６０°。图２裂纹尖端网格Ｆｉｇ．２Ｃｒａｃｋｔｉｐｍｅｓｈ３．４模拟验证取文献［４］中的室内试验来验证数值模拟的合理性，文献［４］对含三维预制裂纹的标准立方体试件在单轴拉伸作用下进行了室内试验，本文对预制裂纹倾角α＝３０°方案进行了数值模拟，数值模拟结果与文献［４］的断口图见图３。由图３可知，裂纹尖端呈现“翼裂纹”状扩展，最终破裂面沿着试件横向破坏，即裂纹最终扩展逐渐垂直于最大主应力方向，验证了数值模拟的合理性。图３数值模拟与室内试验验证Ｆｉｇ．３Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｌａｂｏｒａｔｏｒｙｔｅｓｔｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ３．５模拟结果分析３．５．１方案１模拟结果方案１预制内裂纹扩展过程见图４。图４（ａ）为裂纹扩展详细过程，其余为最终破坏模式。由图４可知，在单轴拉力作用下，预制裂纹尖端首先出现翼型裂纹，随后裂纹逐渐向四周扩展，裂纹范围不断扩大，同时，裂纹先贯穿试件左右两面，后贯穿试件前后面形成贯穿型裂纹。但随着岩桥角β的变化，２条偏置内裂纹的翼裂纹扩展方向与单条内裂纹的翼裂纹扩展略有不同，单条预制内裂尖端首先出现翼裂纹，而后翼裂纹逐渐沿着试件水平方向扩展（即扩展逐渐逼近最大主应力方向），而含２条偏置内裂纹的裂纹扩展受２条预制裂纹的相互作用，使得偏转方向偏离垂直最大主应力方向。对于岩桥角为６０°的情况，预制裂纹之间的裂纹扩展呈现一定的“排斥”作用，即


本文编号：3373882