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基于3D-ILC含内裂纹孔口脆性固体断裂特性试验 被引量:14
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作者 王海军 郁舒阳 +3 位作者 任然 汤雷 李欣昀 贾宇 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第6期2200-2212,共13页
孔口问题为力学领域中经典问题之一,也是岩土如隧洞、巷道等工程领域重要的问题之一。随断裂力学的发展,对含裂纹孔口问题的研究也不断深入。但是,以往研究多集中在二维问题或者含表面裂纹的孔口问题,含纯内裂纹的孔口问题研究报道较少... 孔口问题为力学领域中经典问题之一,也是岩土如隧洞、巷道等工程领域重要的问题之一。随断裂力学的发展,对含裂纹孔口问题的研究也不断深入。但是,以往研究多集中在二维问题或者含表面裂纹的孔口问题,含纯内裂纹的孔口问题研究报道较少。基于3D-ILC技术(对表面无任何影响的情况下,凭空生成任意参数的深埋内裂纹),在含有孔口的脆性材料中生成内裂纹,开展单轴压缩试验,与无裂纹完整孔口试样试验结果及已有文献进行对比,并开展理论与数值模拟研究。结果表明:(1)3D-ILC与传统方法相比,裂纹特征更为真实,为解决断裂力学中的三维内裂纹问题奠定了基础;(2)完整孔口试样裂纹形态主要有主裂纹与八字形裂纹;(3)含内裂纹试样裂纹形态以内裂纹扩展为主,主要有翼裂纹、次生裂纹、反翼裂纹、反向次生裂纹、竖向扭曲裂纹与主裂纹6种;(4)含裂纹孔口试样最终的破坏荷载比无裂纹孔口试样平均低76.49%,起裂应力较无裂纹孔口试样平均低96.72%;(5)通过数值模拟对完整孔口试样、含主裂纹孔口试样、含内裂纹孔口试样的裂纹扩展进行定性分析,与试验结论一致。该研究结果为含三维内裂纹的孔口脆性材料的断裂理论研究提供了物理试验基础。 展开更多
关键词 3d-ilc 断裂力学 裂纹扩展 孔口问题 脆性材料 三维内裂纹
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基于激光–介质损伤的三维内裂纹3D-ILC实现 被引量:15
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作者 王海军 张九丹 +2 位作者 任然 汤雷 钟凌伟 《岩土工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第12期2345-2352,共8页
在材料内部制作可用于试验的真实、可控的三维内裂纹,一直是断裂力学中的基础性难题。针对此瓶颈,提出了通过电磁场在试样内部制造等离子体进而制作任意宏观三维内裂纹的全新方法"3D-ILC",实现了"内科手术式"制作... 在材料内部制作可用于试验的真实、可控的三维内裂纹,一直是断裂力学中的基础性难题。针对此瓶颈,提出了通过电磁场在试样内部制造等离子体进而制作任意宏观三维内裂纹的全新方法"3D-ILC",实现了"内科手术式"制作内裂纹而对表面无任何影响。首先综述传统的脆性材料的内裂纹制作方法及不足,然后给出激光–介质损伤的基本原理与3D-ILC实现方法,给出基于3D-ILC技术的单裂纹、随机多裂纹、双X形内裂纹试样实例。通过经典的单轴压缩与巴西圆盘试验,证明3D-ILC在断裂力学三维内裂纹断裂力学研究中的可用性。结果表明:3D-ILC相对于传统方法具有以下优势:①可观测性强;②简便、快速、高效;③裂纹真实;④试样均质度、脆性度高、完整性强;⑤裂纹数量、尺寸可控。3D-ILC的提出,解决了断裂力学百年来在材料内部实现任意可控宏观三维内裂纹这一基本问题,使原本复杂和高门槛的三维内裂纹扩展断裂研究具备"平民化"的特征,对于推动断裂力学中内裂纹及三维问题的研究,具有重要意义。 展开更多
关键词 3d-ilc 三维内裂纹 断裂力学 激光介质损伤 裂纹扩展
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基于3D-ILC含不同角度内裂纹圆盘断裂特性研究 被引量:11
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作者 王海军 张九丹 +4 位作者 任然 汤雷 郁舒阳 钟凌伟 张珂 《岩土工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第9期1636-1644,共9页
巴西圆盘试验是力学领域的一个经典试验,含裂纹的圆盘试验多集中于二维或表面裂纹,但含内裂纹的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型断裂研究一直较为落后.基于3D-ILC技术,在对巴西圆盘试样表面无任何影响的情况下,凭空生成任意参数的内裂纹,开展含不同角度内裂... 巴西圆盘试验是力学领域的一个经典试验,含裂纹的圆盘试验多集中于二维或表面裂纹,但含内裂纹的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型断裂研究一直较为落后.基于3D-ILC技术,在对巴西圆盘试样表面无任何影响的情况下,凭空生成任意参数的内裂纹,开展含不同角度内裂纹的及完整巴西圆盘试样试验,对裂纹扩展过程、应力双折射规律、裂纹起裂及破坏荷载进行分析,并与已有文献进行对比,开展三维内裂纹Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型断裂数值模拟,分析KⅠ,KⅡ,KⅢ分布规律及实现裂纹扩展全过程模拟,规律与试验相符.结果 表明:①3D-ILC在断裂力学试验中的优势得到证明,为断裂力学中的内裂纹及Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型断裂问题的研究奠定了基础.②与完整试样匀称连续的应力云纹分布相比,含内裂纹试样应力云纹集中于内裂纹尖端,呈花瓣状,色差对比显著.③30°内裂纹被括弧状破坏面切断;60°内裂纹上下尖端出现Ⅰ-Ⅱ型翼裂纹扩展,侧面出现Ⅲ型裂纹叠加;90°内裂纹试样,沿内裂纹面扩展破坏,为纯Ⅰ型破坏.④与完整试样破坏荷载相比,含30°,60°,90°内裂纹试样破坏荷载分别下降10.7%,60.6%,89.2%;30°,60°,90°内裂纹起裂与破坏荷载比分别为100%,11.7%,15.6%.⑤数值模拟与物理试验特征一致.结论 与成果对断裂力学领域的三维内裂纹、Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型断裂问题的研究提供了试验与理论基础. 展开更多
关键词 3d-ilc 断裂力学 巴西圆盘 脆性固体 三维内裂纹 应力双折射
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基于3D-ILC含60°内裂纹脆性球体Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型断裂研究 被引量:4
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作者 王海军 郁舒阳 +3 位作者 汤子璇 汤雷 任然 徐进 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第5期1573-1582,共10页
球体作为自然界最完美的几何形态、也是生活工业中常见的几何形态,球体的力学特性对工程安全及数值仿真具有重要意义。内裂纹和内部类裂纹缺陷是材料的固有属性,对材料力学特性影响巨大。由于各类瓶颈问题,而当前研究都未能考虑球体的... 球体作为自然界最完美的几何形态、也是生活工业中常见的几何形态,球体的力学特性对工程安全及数值仿真具有重要意义。内裂纹和内部类裂纹缺陷是材料的固有属性,对材料力学特性影响巨大。由于各类瓶颈问题,而当前研究都未能考虑球体的内裂纹问题。对于真实世界里,脆性球体的内裂纹如何扩展都尚未有认知。基于3D-ILC (三维激光疲劳内裂纹)技术,在对球体试样表面无任何影响的情况下生成纯封闭内裂纹,开展单轴压缩下脆性球体60°内裂纹扩展断裂试验,与完整圆球试样对比,得到裂纹扩展及试样破坏过程、起裂与破坏荷载、翼裂纹面形态特征及撕裂区特征、破坏形态规律,并基于M积分得到内裂纹尖端Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ、K_Ⅲ分布规律,与试验结果对比以得到验证。结果表明:(1)试样裂纹形态主要有:上翼裂纹、下翼裂纹、主裂纹;(2)单轴压下球体内裂纹出现翼型扩展并呈现复杂的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型裂纹特征,翼裂纹扩展由光滑区与撕裂区组成,光滑区裂纹面基本光滑且尖端圆滑为Ⅰ-Ⅱ型裂纹,撕裂区具备"二叉树"形态特征为Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型裂纹,存在非连续现象;(3)基于M积分的裂纹尖端K_Ⅰ、K_Ⅱ、K_Ⅲ分布规律,裂纹光滑区、撕裂区的力学机制分析与试验一致;(4) 3D-ILC在球体内裂纹研究中的适用性得到证明,为解决球体及断裂力学中的内裂纹及Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型断裂问题提供了有力工具。成果是对当前无法考虑内缺陷的球体颗粒力学研究的很好的补充,同时,为断裂力学中三维问题、内裂纹问题、Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型裂纹问题等研究,提供试验和理论参考。 展开更多
关键词 透明类岩石 三维内裂纹 3d-ilc 断裂力学 球体
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基于3D-ILC含水平内裂纹脆性固体三点弯断裂特性研究 被引量:1
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作者 王海军 乐成军 +3 位作者 汤雷 赵初 李汉章 戚海棠 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第10期2773-2784,共12页
断裂力学是固体力学的重要分支,三点弯试验是力学领域的一个经典试验,含裂纹的三点弯研究多集中于穿透或表面裂纹,含纯封闭内裂纹的三点弯断裂研究较少。基于3D-ILC技术,在对试样表面无任何影响的情况下,生成任意参数的纯封闭内裂纹,开... 断裂力学是固体力学的重要分支,三点弯试验是力学领域的一个经典试验,含裂纹的三点弯研究多集中于穿透或表面裂纹,含纯封闭内裂纹的三点弯断裂研究较少。基于3D-ILC技术,在对试样表面无任何影响的情况下,生成任意参数的纯封闭内裂纹,开展含不同深度共勉内裂纹试样及完整试样三点弯断裂试验,分析应力双折射规律、破坏荷载、断口特征、断口特征区尺寸及破坏形态。通过对含不同深度内裂纹的试样进行数值模拟,得到裂纹尖端KⅠ、KⅡ、KⅢ分布规律。结果表明:(1)内裂纹改变了完整试样的应力双折射规律,云纹在裂纹上端呈半圆状,色差对比显著。(2)内裂纹的存在显著降低了试样三点弯破坏荷载,含深度10、20、30 mm单内裂纹试样及含深度20 mm双、三内裂纹试样与完整试样破坏荷载相比,下降百分比分别为11.8%、19.5%、78.4%、30.9%、35.5%。(3)内裂纹深度10、20mm试样与完整试样破坏形态均为动态裂纹分叉破坏,呈现出镜面雾化羽毛平纹特征;含深度30mm单内裂纹试样发生Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合扩展,断口为光滑的翼状扩展。(4)得到了破坏断口特征区尺寸与内裂纹深度关系的拟合公式。(5)KⅠ、KⅡ、KⅢ与内裂纹深度成反比关系;裂纹越远离试样中心,KⅠ越小,KⅡ、KⅢ越大;左右侧裂纹对中间裂纹的K值不影响。该研究表明3D-ILC可做为研究断裂力学中的内裂纹及复合裂纹问题的重要工具。 展开更多
关键词 类岩石材料 3d-ilc 内置裂纹 岩石断裂 应力场可视化 断裂路径模拟
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基于3D-ILC脆性材料双共面与障碍内裂纹扩展特性
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作者 王海军 顾浩 +3 位作者 任然 汤雷 郁舒阳 戚海棠 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第S01期263-273,共11页
内裂纹是岩石等脆性材料的固有属性,裂纹间相互作用对材料断裂破坏特性影响巨大。以往研究多集中于表面裂纹或可简化为二维问题的穿透裂纹,对于三维内裂纹相互作用研究较少。基于3D-ILC,在不损伤试样表面的前提下生成内裂纹,对含障碍裂... 内裂纹是岩石等脆性材料的固有属性,裂纹间相互作用对材料断裂破坏特性影响巨大。以往研究多集中于表面裂纹或可简化为二维问题的穿透裂纹,对于三维内裂纹相互作用研究较少。基于3D-ILC,在不损伤试样表面的前提下生成内裂纹,对含障碍裂纹与不含障碍裂纹的试样开展拉伸试验,借助应力双折射效应定性观测应力分布,并开展数值模拟研究。结果表明:①基于3D-ILC的内裂纹相互作用规律显著,该技术为三维内裂纹相互融合、穿透问题的研究提供了手段;②竖直障碍裂纹破坏了双共面裂纹的应力分布,可以减小双共面裂纹靠近障碍裂纹尖端的应力集中;③竖直障碍裂纹对试样的起裂和破坏存在促进作用,使共面裂纹内侧起裂荷载降低10%,外侧起裂荷载降低2.5%,破坏荷载下降26.1%,含障碍裂纹试样的起裂荷载为破坏荷载的33.7%,不含障碍裂纹试样的起裂荷载为破坏荷载的41%;④竖直障碍裂纹不会改变试样的断裂模式,2种试样均呈现纯I型破坏特征,沿双共面裂纹所在的平面形成光滑的断裂面,断口表面存在一圈圈可表征裂纹扩展融合过程的弧纹;⑤竖直障碍裂纹会增强试样断裂时的应力释放,在障碍裂纹周围产生大量残余应力;⑥最大拉应力准则(MTS)可用于含障碍内裂纹扩展数值模拟,裂纹扩展路径以及裂纹尖端应力强度因子分布规律,与试验结果一致。 展开更多
关键词 3d-ilc 障碍裂纹 裂纹扩展 裂纹融合
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基于3D-ILC单轴拉伸双平行内裂纹扩展规律研究 被引量:1
7
作者 郁舒阳 王海军 +4 位作者 任然 汤雷 钟凌伟 张志韬 汤子璇 《岩土工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第12期2367-2373,共7页
多裂纹相互作用是断裂力学研究的重要内容,但是针对单轴拉伸下的三维多内裂纹相互作用研究较少。基于3D-ILC技术,在完整立方体试件中生成三维双平行内裂纹,对不同错距d开展单轴拉伸试验,分析了断裂过程、应力云纹、起裂与破坏荷载及断... 多裂纹相互作用是断裂力学研究的重要内容,但是针对单轴拉伸下的三维多内裂纹相互作用研究较少。基于3D-ILC技术,在完整立方体试件中生成三维双平行内裂纹,对不同错距d开展单轴拉伸试验,分析了断裂过程、应力云纹、起裂与破坏荷载及断口特征,基于M积分和MTS准则开展裂纹扩展路径及相互作用模拟。结果表明:①内裂纹错距为2 mm时相互"吸引",错距为6与10 mm先相互"吸引"后"排斥";②三维双内裂纹单轴拉伸下具有"合并分界"、"漏斗状"特征等断裂形态,其中裂纹中心侧发生Ⅰ-Ⅱ型复合断裂,外侧发生纯I型断裂;③初始应力云纹在预制裂纹尖端呈现"花瓣状",裂纹相互"吸引"过程中应力云纹在中心侧裂纹尖端呈现"括弧状";④试样强度与裂纹间错距成正比,错距为2,6,10 mm抗拉强度相对完整试样下降百分比分别为63.39%,50.79%,41.09%。起裂荷载与最终破坏荷载的比值分别为12.92%,15.16%,13.57%;⑤基于M积分,得出内裂纹Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子分布规律,基于MTS裂纹扩展判据,实现三维双内纹的相互作用扩展全过程数值模拟,与试验一致。研究结果为三维双平行内裂纹相互作用研究提供试验与理论基础。 展开更多
关键词 3d-ilc 断裂力学 裂纹扩展 双内裂纹 脆性固体 裂纹相互作用
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基于3D-ILC含偏心内裂纹半圆弯拉断裂特性研究 被引量:1
8
作者 张志韬 王海军 +3 位作者 汤雷 赵初 李汉章 苏正洋 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期111-122,131,共13页
断裂力学是各行业的基础学科之一。半圆弯拉(SCB)试验为该领域经典试验,目前含裂纹的SCB研究多为底部切口等表面裂纹或穿透型裂纹研究。内裂纹和内部类裂纹缺陷是材料的固有属性,但是对于SCB内裂纹扩展规律研究较少。基于3D-ILC(三维激... 断裂力学是各行业的基础学科之一。半圆弯拉(SCB)试验为该领域经典试验,目前含裂纹的SCB研究多为底部切口等表面裂纹或穿透型裂纹研究。内裂纹和内部类裂纹缺陷是材料的固有属性,但是对于SCB内裂纹扩展规律研究较少。基于3D-ILC(三维激光疲劳内裂纹)技术,分析了表面无任何影响的情况下凭空生成任意参数的纯内裂纹,在SCB试样中生成内裂纹,对含内裂纹试样进行SCB试验,分析了裂纹生长过程、应力双折射规律、Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型裂纹扩展面、破坏形态、宏微观断口特征,开展数值模拟,得到裂纹尖端应力强度因子分布规律及扩展路径,与物理试验一致。结果表明:(1)基于3D-ILC的SCB内裂纹及Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型扩展断裂规律明显,3D-ILC为断裂力学中的内裂纹问题研究提供了有力工具;(2)应力云纹在内裂纹处显示应力集中,SCB整体云纹在内裂纹处发生明显变异;(3)SCB试样从预制裂纹处发生压剪型起裂,发生Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型裂纹扩展,分为光滑区和撕裂区,持续生长转变为动态断裂进而破坏,动态断口存在裂纹分叉出现雾化区、羽毛区特征;(4)根据M积分和最大周向应力准则,对试样进行了数值模拟,得到了试样内裂纹尖端应力强度因子分布规律及扩展路径,与试验结果一致。结论与成果对断裂力学领域的SCB试验、内裂纹、Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型断裂问题、裂纹扩展路径模拟问题的研究,具有重要意义。 展开更多
关键词 3d-ilc 三维内裂纹 I-II-III复合裂纹 断裂力学 半圆弯拉试验 脆性材料
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基于3D-ILC球体45°三维双内裂纹复合断裂研究
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作者 张珂 王海军 +4 位作者 任然 汤雷 郁舒阳 刘鑫娜 顾浩 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第12期4731-4739,共9页
断裂力学是各领域基础科学,材料内裂纹相互作用是断裂力学的重要研究领域,但目前球体内裂纹相互作用研究成果较少。基于三维激光疲劳内裂纹(3D-ILC)技术,在对球体试样表面无任何损伤的情况下,制作三维平行纯内裂纹,开展45°倾角平... 断裂力学是各领域基础科学,材料内裂纹相互作用是断裂力学的重要研究领域,但目前球体内裂纹相互作用研究成果较少。基于三维激光疲劳内裂纹(3D-ILC)技术,在对球体试样表面无任何损伤的情况下,制作三维平行纯内裂纹,开展45°倾角平行双内裂纹单轴压缩试验,对双内裂纹的裂纹扩展过程、应力双折射规律、断口特征、破坏形态、相互作用等多方面开展研究,进行含双内裂纹Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型圆球断裂数值模拟,分析KⅠ、KⅡ、KⅢ分布规律,与试验相符。结果表明:(1)球体双内裂纹在单轴压缩下之间发生屏蔽作用,主裂纹面穿过两预制内裂纹;(2)翼型裂纹光滑区呈现Ⅰ-Ⅱ型裂纹断口特征,翼型裂纹侧面撕裂区呈现"矛状"Ⅲ型裂纹特征;(3)基于M积分计算的KⅠ、KⅡ、KⅢ分析与基于断裂特征的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型裂纹类型分析一致。3D-ILC技术可用于球体内裂纹相互作用断裂试验研究,球体内裂纹试验与理论分析为脆性材料内裂纹扩展及相互作用研究提供试验与理论参考。 展开更多
关键词 三维激光疲劳内裂纹(3d-ilc) 断裂力学 内裂纹扩展 脆性材料 裂纹相互作用
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基于3D-ILC三点弯脆性固体内裂纹扩展规律及破坏特征研究 被引量:8
10
作者 王海军 李汉章 +3 位作者 任然 汤雷 郁舒阳 张志韬 《岩石力学与工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第12期2463-2477,共15页
岩石内裂纹扩展问题是岩土工程学科的重要问题之一。基于3D-ILC技术,选用理想脆性材料,在对试样表面无影响的前提下,生成任意参数的真实内裂纹,进行含内裂纹试样三点弯试验,并与完整试样进行对比。开展试样破坏过程、特征荷载、破坏形... 岩石内裂纹扩展问题是岩土工程学科的重要问题之一。基于3D-ILC技术,选用理想脆性材料,在对试样表面无影响的前提下,生成任意参数的真实内裂纹,进行含内裂纹试样三点弯试验,并与完整试样进行对比。开展试样破坏过程、特征荷载、破坏形态、断口特征、动态分叉、应力云纹分析,通过数值模拟得到裂纹尖端K分布规律及扩展路径,与试验对比。结果表明:(1)内裂纹的存在极大的降低试样的起裂与破坏荷载;(2)应力双折射技术可与3D-ILC联合应用进行内裂纹应力信息监测,内裂纹尖端呈现"花瓣"状应力云纹;(3)三点弯下空白试样发生动态断裂,断口呈现雾化、羽毛区特征,由动态裂纹分叉引起。含裂纹试样,从内裂纹下尖端到上尖端逐渐起裂,呈现水滴状,为纯I型破坏,断口呈现交汇Wallner线特征;(4)基于M积分的裂纹尖端K分布与试验起裂规律一致;基于MTS的内裂纹扩展路径模拟与试验一致。3D-ILC相对于目前透明类岩石研究中主流方法,在脆性度、裂纹真实性、应力场可视化、断口特征等方面具备一定进步性,试验与数值模拟成果将为岩石等脆性材料的三维断裂、内裂纹扩展等问题的研究,提供试验和理论参考。 展开更多
关键词 岩石力学 3d-ilc 三点弯 断裂力学 裂纹扩展 脆性材料 三维内裂纹
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基于3D-ILC超声场致脆性固体单内裂纹扩展规律研究 被引量:1
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作者 王海军 郁舒阳 +3 位作者 李汉章 任然 汤雷 朱文炜 《岩石力学与工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第5期938-948,共11页
为揭示超声场(UF)作用下脆性固体裂纹扩展贯通等特性演变,首次引入3D-ILC技术,开展含有内裂纹脆性固体的UF试验,揭示不同激励时长及不同超声功率下的裂纹扩展及试样破坏过程规律。通过分析断口特征揭示超声致裂物理机制,基于Paris疲劳... 为揭示超声场(UF)作用下脆性固体裂纹扩展贯通等特性演变,首次引入3D-ILC技术,开展含有内裂纹脆性固体的UF试验,揭示不同激励时长及不同超声功率下的裂纹扩展及试样破坏过程规律。通过分析断口特征揭示超声致裂物理机制,基于Paris疲劳理论开展数值模拟,得到不同超声参数下的内裂纹扩展路径,并与试验结果对比验证。结果表明:(1)3D-ILC有效性得到了证明,为UF的研究提供了一个有力工具。(2)UF下裂纹沿尖端方向扩展,断口存在贝纹线特征,局部存在粉末,判断UF物理机制包含超高周/高周疲劳断裂、裂纹面摩擦、温度荷载。(3)超声波对固体作用集中在原预制裂纹面,完整区域未出现损伤,可认为超声作用具备高度的"裂纹敏感性"。(4)裂纹扩展程度与超声作用时间、超声功率成正相关。(5)利用Paris疲劳模型开展UF数值模拟,裂纹扩展程度与荷载幅值和循环周次成正比,裂纹扩展路径与试验一致。3D-ILC的引入为UF的试验规律、物理机制研究提供了全新的手段,数值模拟方法得到了UF下裂纹扩展路径,与传统上以应力–应变、塑性区等目标的分析方法相比,是一个很好的补充。 展开更多
关键词 岩石力学 类岩石 3d-ilc 超声疲劳 三维内裂纹 断裂力学 超高周疲劳
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Experimental study on 3D internal penny-shaped crack propagation in brittle materials under uniaxial compression 被引量:1
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作者 Jiyun Xu Hanzhang Li +1 位作者 Haijun Wang Lei Tang 《Deep Underground Science and Engineering》 2023年第1期37-51,共15页
Fractures are widely present in geomaterials of civil engineering and deep underground engineering.Given that geomaterials are usually brittle,the fractures can significantly affect the evaluation of underground engin... Fractures are widely present in geomaterials of civil engineering and deep underground engineering.Given that geomaterials are usually brittle,the fractures can significantly affect the evaluation of underground engineering construction safety and the early warning of rock failure.However,the crack initiation and propagation in brittle materials under composite loading remain unknown so far.In this study,a three-dimensional internal laser-engraved cracking technique was applied to produce internal cracks without causing damage to the surfaces.The uniaxial compression tests were performed on a brittle material with internal cracks to investigate the propagation of these internal cracks at different dip angles under compression and shear.The test results show that the wing crack propagation mainly occurs in the specimen with an inclined internal crack,which is a mixed-ModeⅠ–Ⅱ–Ⅲfracture;in contrast,ModeⅠfracture is present in the specimen with a vertical internal crack.The fractography characteristics of ModeⅢfracture display a lance-like pattern.The fracture mechanism in the brittle material under compression is that the internal wing cracks propagate to the ends of the whole sample and cause the final failure.The initial deflection angle of the wing crack is determined by the participation ratio of stress intensity factors KII to KI at the tip of the internal crack. 展开更多
关键词 3d-ilc brittle materials internal crack penny-shaped crack rock fracture uniaxial compression
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Fracturing behavior of brittle solids containing 3D internal crack of different depths under ultrasonic fracturing 被引量:2
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作者 Haijun Wang Hanzhang Li +2 位作者 Lei Tang Jianchun Li Xuhua Ren 《International Journal of Mining Science and Technology》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第6期1245-1257,共13页
Ultrasonic fracturing(UF)can be used to form crack networks for oil or gas in the mining industry and hard rock excavation.In this paper,the three-dimensional internal laser-engraved crack method(3DILC)is introduced t... Ultrasonic fracturing(UF)can be used to form crack networks for oil or gas in the mining industry and hard rock excavation.In this paper,the three-dimensional internal laser-engraved crack method(3DILC)is introduced to make penny-shaped internal crack within the samples without any damage to the surfaces.Physical experiments were performed on the transparent samples with internal cracks at different depths.The macro-and micro-fracture fractography characteristics were focused on and analyzed in details.Based on fractography,the mechanisms of the UF were revealed.The propagation paths of cracks of different depths were simulated based on the Paris fatigue model and compared with experimental results.The results show that the 3D-ILC method is a powerful tool for the experimental research on the internal crack propagation in the UF.Under the action of ultrasonic field,fractography shows the characteristics of beach marks,lance-like pattern,rime-like pattern and glass powder.It can be judged that the mechanisms of UF include high cycle fatigue fracture,shear fracture,and friction.The results of the numerical simulation using the Paris fatigue model are consistent with the experimental results. 展开更多
关键词 3d-ilc method 3D internal crack Ultrasonic fracturing Fracture mechanics Ultrasonic fatigue Paris fatigue model
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热载荷下脆性固体中三维平行内裂纹的相互作用:实验和数值模拟
14
作者 汪云飞 王海军 +2 位作者 赵新铭 汤雷 潘建伍 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第1期331-350,共20页
热断裂是一种典型断裂。裂纹广泛存在于脆性固体中,温度变化下裂纹的应力集中与扩展对于热断裂有着重要影响。传统研究大多集中在表面裂纹或二维裂纹,而对于温度场下内裂纹的扩展及多内裂纹的相互作用研究较少。本文使用3D-激光疲劳内裂... 热断裂是一种典型断裂。裂纹广泛存在于脆性固体中,温度变化下裂纹的应力集中与扩展对于热断裂有着重要影响。传统研究大多集中在表面裂纹或二维裂纹,而对于温度场下内裂纹的扩展及多内裂纹的相互作用研究较少。本文使用3D-激光疲劳内裂纹(3D-ILC)方法,在完整立方体试件内制作三维双平行内裂纹,对表面不造成任何损伤。开展了温度场下不同垂直间距内裂纹断裂物理试验和三维数值模拟,并对双裂纹相互作用模式进行了分析讨论。结果表明:1)当双裂纹共面时,内裂纹两侧温度场分布对称,双裂纹扩展方向不发生偏移,内裂纹内侧尖端相互吸引最终融合,属于Mode-I型裂纹。此外共面裂纹扩展迹线相交呈“I”形断口特征。2)双裂纹垂直间距d与裂纹半径a之比d/a<2时,双裂纹相互吸引并融合,且当d/a=1时相互作用程度最大,非共面裂纹迹线交并为“月牙形”断口特征。3) d/a≥2后双裂纹内侧尖端扩展呈“排斥”,而“排斥”现象是边界效应导致,并非多裂纹间相互作用,属于Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹。4)不论垂直间距大小,内裂纹两侧尖端均存在应力集中现象,且内侧远大于外侧,故内侧裂纹扩展长度大于外侧。研究结果为温度场下三维双平行裂纹相互作用的研究提供了实验和理论依据。 展开更多
关键词 热断裂 3D激光疲劳内裂纹(3d-ilc) 双裂纹 脆性固体 裂纹扩展 裂纹相互作用
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Fracture of two three-dimensional parallel internal cracks in brittle solid under ultrasonic fracturing 被引量:7
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作者 Haijun Wang Hanzhang Li +3 位作者 Lei Tang Xuhua Ren Qingxiang Meng Chun Zhu 《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》 SCIE CSCD 2022年第3期757-769,共13页
Similar to hydraulic fracturing(HF), the coalescence and fracture of cracks are induced within a rock under the action of an ultrasonic field, known as ultrasonic fracturing(UF). Investigating UF is important in both ... Similar to hydraulic fracturing(HF), the coalescence and fracture of cracks are induced within a rock under the action of an ultrasonic field, known as ultrasonic fracturing(UF). Investigating UF is important in both hard rock drilling and oil and gas recovery. A three-dimensional internal laser-engraved crack(3D-ILC) method was introduced to prefabricate two parallel internal cracks within the samples without any damage to the surface. The samples were subjected to UF. The mechanism of UF was elucidated by analyzing the characteristics of fracture surfaces. The crack propagation path under different ultrasonic parameters was obtained by numerical simulation based on the Paris fatigue model and compared to the experimental results of UF. The results show that the 3D-ILC method is a powerful tool for UF research.Under the action of an ultrasonic field, the fracture surface shows the characteristics of beach marks and contains powder locally, indicating that the UF mechanism includes high-cycle fatigue fracture, shear and friction, and temperature load. The two internal cracks become close under UF. The numerical result obtained by the Paris fatigue model also shows the attraction of the two cracks, consistent with the test results. The 3D-ILC method provides a new tool for the experimental study of UF. Compared to the conventional numerical methods based on the analysis of stress-strain and plastic zone, numerical simulation can be a good alternative method to obtain the crack path under UF. 展开更多
关键词 Three-dimensional internal laser-engraved crack(3d-ilc) Interaction of cracks Ultrasonic fatigue Penny-shaped crack Fracture mechanics High-cycle fatigue
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