為探究不同巖橋角及不同裂紋傾角下的標準立方體試件在單軸拉伸作用下的裂紋擴展及裂紋尖端的應力強度因子的變化規(guī)律,利用Franc3d軟件對不同方案的含兩條偏置三維裂紋的試件進行了單軸拉伸數(shù)值模擬研究,同時以單軸拉伸下含單裂紋試件的試驗結(jié)果作為驗證對比,驗證了數(shù)值模擬的合理性。結(jié)果表明,不同巖橋角與不同裂紋傾角下雙裂紋試件裂紋之間呈現(xiàn)"相互吸引"與"相互排斥"作用;預制裂紋內(nèi)側(cè)尖端的翼裂紋擴展小于預制裂紋外側(cè)尖端;相對Ⅰ型應力強度因子隨著預制裂紋尖端距離的變化呈現(xiàn)先增大后減小再增大再減小的規(guī)律,相對Ⅱ型應力強度因子隨著預制裂紋尖端距離的變化呈現(xiàn)先減小后增大再減小再增大的趨勢;巖橋角越大,整體上的相對Ⅰ型應力強度因子越小,不同巖橋角的相對Ⅱ型應力強度因子幾乎一致;預制裂紋的傾角越大,相對Ⅰ型應力強度因子越小,而相對Ⅱ型應力強度因子總體上越大。研究成果為進一步認識裂紋擴展特性奠定了基礎。 

【文章來源】：水電能源科學. 2019,37(05)北大核心

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

圖１計算模型及網(wǎng)格剖分Ｆｉｇ．１Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｍｏｄｅｌａｎｄｍｅｓｈｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ

。計算邊界條件設為模型底部施加三個方向固定的位移約束，模型上部施加ｘ、ｚ方向固定的位移約束，同時ｙ方向施加應力邊界。圖１計算模型及網(wǎng)格剖分Ｆｉｇ．１Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｍｏｄｅｌａｎｄｍｅｓｈｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ３．２網(wǎng)格劃分采用自適應網(wǎng)格技術(shù)劃分網(wǎng)格，裂紋尖端點處由一層“四分點奇異楔形裂紋前沿單元”構(gòu)成，往外由兩層以上“磚形單元”構(gòu)成，距離裂紋尖端較遠處由“四面體單元”進行劃分，“四面體單元”與“磚形單元”之間通過“金字塔形單元”過渡。裂紋尖端網(wǎng)格劃分見圖２。３．３模擬方案將試件分為兩組，分別研究巖橋角β與三維內(nèi)裂紋傾角α對試件裂紋擴展與裂紋尖端應力強度因子的影響。具體方案為：①方案１。預制三維內(nèi)裂紋的傾角α＝３０°，巖橋角β分別為６０°、９０°、１２０°、１８０°。②方案２。巖橋角β＝１２０°，預制三維內(nèi)裂紋的傾角α分別為０°、３０°、４５°、６０°。圖２裂紋尖端網(wǎng)格Ｆｉｇ．２Ｃｒａｃｋｔｉｐｍｅｓｈ３．４模擬驗證取文獻［４］中的室內(nèi)試驗來驗證數(shù)值模擬的合理性，文獻［４］對含三維預制裂紋的標準立方體試件在單軸拉伸作用下進行了室內(nèi)試驗，本文對預制裂紋傾角α＝３０°方案進行了數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果與文獻［４］的斷口圖見圖３。由圖３可知，裂紋尖端呈現(xiàn)“翼裂紋”狀擴展，最終破裂面沿著試件橫向破壞，即裂紋最終擴展逐漸垂直于最大主應力方向，驗證了數(shù)值模擬的合理性。圖３數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗驗證Ｆｉｇ．３Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｌａｂｏｒａｔｏｒｙｔｅｓｔｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ３．５模擬結(jié)果分析

內(nèi)裂紋的傾角α＝３０°，巖橋角β分別為６０°、９０°、１２０°、１８０°。②方案２。巖橋角β＝１２０°，預制三維內(nèi)裂紋的傾角α分別為０°、３０°、４５°、６０°。圖２裂紋尖端網(wǎng)格Ｆｉｇ．２Ｃｒａｃｋｔｉｐｍｅｓｈ３．４模擬驗證取文獻［４］中的室內(nèi)試驗來驗證數(shù)值模擬的合理性，文獻［４］對含三維預制裂紋的標準立方體試件在單軸拉伸作用下進行了室內(nèi)試驗，本文對預制裂紋傾角α＝３０°方案進行了數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果與文獻［４］的斷口圖見圖３。由圖３可知，裂紋尖端呈現(xiàn)“翼裂紋”狀擴展，最終破裂面沿著試件橫向破壞，即裂紋最終擴展逐漸垂直于最大主應力方向，驗證了數(shù)值模擬的合理性。圖３數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗驗證Ｆｉｇ．３Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｌａｂｏｒａｔｏｒｙｔｅｓｔｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ３．５模擬結(jié)果分析３．５．１方案１模擬結(jié)果方案１預制內(nèi)裂紋擴展過程見圖４。圖４（ａ）為裂紋擴展詳細過程，其余為最終破壞模式。由圖４可知，在單軸拉力作用下，預制裂紋尖端首先出現(xiàn)翼型裂紋，隨后裂紋逐漸向四周擴展，裂紋范圍不斷擴大，同時，裂紋先貫穿試件左右兩面，后貫穿試件前后面形成貫穿型裂紋。但隨著巖橋角β的變化，２條偏置內(nèi)裂紋的翼裂紋擴展方向與單條內(nèi)裂紋的翼裂紋擴展略有不同，單條預制內(nèi)裂尖端首先出現(xiàn)翼裂紋，而后翼裂紋逐漸沿著試件水平方向擴展（即擴展逐漸逼近最大主應力方向），而含２條偏置內(nèi)裂紋的裂紋擴展受２條預制裂紋的相互作用，使得偏轉(zhuǎn)方向偏離垂直最大主應力方向。對于巖橋角為６０°的情況，預制裂紋之間的裂紋擴展呈現(xiàn)一定的“排斥”作用，即


本文編號：3373882