發(fā)布時間：2018-12-10 10:44

【摘要】：在層狀巖石組成的地層結(jié)構(gòu)中,存在一種非常重要且較為普遍的地學(xué)現(xiàn)象,即間隔破裂現(xiàn)象(Fracture Spacing)。關(guān)于這種現(xiàn)象在拉伸作用下的研究成果多發(fā)表在Nature和Physical Review等高水平的雜志上,這說明了對這種現(xiàn)象的研究具有重要的意義。等間距(或等空間)裂紋飽和現(xiàn)象還具有跨尺度、普適性的特點,小到裂紋間距毫米級的復(fù)合材料等間距裂紋,大到與地震相關(guān)的地球板塊構(gòu)造中的斷裂帶,各種形式的裂紋普遍存在于不同尺度的巖石、混凝土和其他材料中。巖石、混凝土等準脆性材料變形破壞的本質(zhì),是在荷載、溫縮、干縮等的作用下,固體材料內(nèi)部微裂紋萌生、擴展、貫通直到產(chǎn)生宏觀裂紋并最終失穩(wěn)的過程。 本文以層狀巖石的等間距裂紋現(xiàn)象為出發(fā)點,在破裂過程分析系統(tǒng)RFPA (Realistic Failure Process Analysis)基礎(chǔ)上,從巖石的細觀結(jié)構(gòu)入手,運用統(tǒng)計分布方法、傳熱傳質(zhì)理論以及損傷力學(xué)原理,實現(xiàn)了包括荷載、溫度、濕度等條件下的多種形狀的層狀巖石類材料模型等空間破裂過程分析；采用以該數(shù)值分析方法為主,物理試驗為補充的研究手段,對層狀結(jié)構(gòu)作用下的等間距拉破壞過程機理及演化規(guī)律進行探討,取得的主要研究成果如下： (1)充分發(fā)揮數(shù)值分析方法的優(yōu)勢,從細觀角度出發(fā),通過建立溫度-應(yīng)力-損傷、濕度-應(yīng)力-損傷耦合層狀材料模型,實現(xiàn)了層狀平板模型從二維到三維,從荷載型裂紋到溫濕擴散型裂紋,從裂紋萌生到飽和的破裂演化全過程。提出了將ansys模型在柱坐標和球坐標中的節(jié)點位移加載通過程序計算轉(zhuǎn)化為笛卡爾坐標下的節(jié)點位移加載的方法,成功模擬了層狀柱形結(jié)構(gòu)和層狀球體結(jié)構(gòu)的等間距裂紋現(xiàn)象和等空間破裂現(xiàn)象。并且在試驗中實現(xiàn)了通過溫度相變體積膨脹得到材料表面裂紋的擴展全過程。 (2)從數(shù)值模型的應(yīng)力分布隨破裂過程的演化規(guī)律入手,研究了導(dǎo)致層狀結(jié)構(gòu)材料等間距裂紋或等空間破裂的應(yīng)力轉(zhuǎn)化機理。研究結(jié)果表明以下因素對等間距裂紋或等空間破裂模式具有影響：材料層厚度之比、各層的材料性質(zhì)、模型受力情況、模型形狀等。數(shù)值研究的成果對于層狀材料中的“等空間破裂”機理和規(guī)律的研究具有重要的借鑒和參考價值。 (3)荷載和溫縮作用下層狀材料裂紋都近似等間距或等空間地出現(xiàn),裂紋的萌生位置不定,裂紋的萌生和貫通具有明顯的先后順序；溫度沖擊和干縮作用下,應(yīng)力隨著溫度或濕度的擴散而產(chǎn)生,模型表面裂紋擴展完全呈現(xiàn)由表及里的擴展規(guī)律,各裂紋的萌生和貫通幾乎同步發(fā)生。最終裂紋都止于不同材料層的交界面,裂紋走向基本垂直于層面,裂紋貫穿開裂層厚度,達到裂紋飽和后,以界面剝離或向硬層擴展為最終破壞形式。 (4)根據(jù)單軸拉伸作用下雙層材料表面等間距裂紋的演化過程和豎向壓縮作用下材料軟層等間距裂紋的演化過程研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),相鄰裂紋間的應(yīng)力場都經(jīng)歷了由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力的過程,應(yīng)力場的轉(zhuǎn)變是裂紋飽和的關(guān)鍵原因。通過分析單軸拉伸作用下雙層材料表面等間距裂紋應(yīng)力場的變化,得到了裂紋擴展到飽和整個過程中模型的三種“自我約束”現(xiàn)象：裂紋對其自身周圍應(yīng)力場的約束：硬層對軟層新生裂紋的約束；來自相鄰裂紋應(yīng)力場的約束。 (5)溫度的傳遞或濕度的擴散與雙層材料表面裂紋的擴展之間存在很大的相互作用,環(huán)境低溫的傳遞和材料濕度的擴散都將在材料中引起拉應(yīng)力導(dǎo)致拉破壞,產(chǎn)生裂紋并使裂紋由表及里擴展；而裂紋的存在和新裂紋的萌生會使溫度和濕度影響的范圍更深、更廣,相應(yīng)的拉應(yīng)力也更大,這對防止裂紋擴展產(chǎn)生更大的不利因素。另外,裂紋深度同樣也是影響溫度和濕度擴散過程的一個重要因素,已有裂紋在收縮過程中的擴展會進一步加劇試樣中溫度和濕度的擴散,從而反過來促進裂紋的繼續(xù)擴展。因此,對已有裂紋進行修補將有利于抑制裂紋擴展并提高結(jié)構(gòu)耐久性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TU521.2

【參考文獻】

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本文編號：2370441