基于扩展有限元的压剪复合断裂试验研究

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针对岩石类材料压剪破坏,国内外学者作了大量真实岩石和模型材料的试验,并进行相应的数值模拟工作。但是由于试验结果往往具有很强的离散性,且对影响实验结果的各因素缺乏系统的理论分析,加之传统常规有限元(CFEM)在处理裂纹这类强不连续问题时存在很大的困难,如在裂尖附近的高应力区需要剖分令人难以接受的密度的网格,同时在模拟裂纹生长时还需要对网格进行重新剖分,操作繁琐复杂,效率极低,因此针对压剪复合断裂翼裂纹扩展规律的研究始终没有取得令人满意的成果。扩展有限元法(XFEM)是目前处理裂纹这类强不连续问题最有效的方法,本文利用扩展有限元法建立数值模型,对压剪复合断裂试验中翼型裂纹扩展过程进行了数值模拟。本文通过研究发现:翼型裂纹的起裂荷载随着主裂纹方位角的增大而减小,但随着翼型裂纹的生长,当翼型裂纹超过一定长度时,方位角较大试件的翼型裂纹扩展荷载大于方位角较小试样的翼型裂纹扩展荷载;翼型裂纹的起裂初始阶段,翼型裂纹很短,且试件端部位移量很小,试验所采用的观测和加载设备要达到相应的精度和要求,才能观测到正确的试验结果。本文提出等效法向应力的概念,并利用滑动裂纹模型,对翼型裂纹的起裂角进行了理论分析,并与数值计算结果和已有的材料模型试验结果进行了对比,吻合良好,研究发现:随着主裂纹方位角的不断增大,翼型裂纹起裂角不断减小;对于闭合型裂纹,主裂纹面间填充物的刚度对翼型裂纹的起裂角有影响,主裂纹面与填充物之间的摩擦系数对翼型裂纹起裂角无影响。本文利用扩展有限元对锚固作用下压剪复合断裂试验翼型裂纹的起裂和扩展情况进行了数值模拟,研究发现锚固预应力、锚固位置和锚固方向对翼型裂纹的起裂荷载有显著的影响。
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