[发明专利]一种岩石双扭试件裂纹亚临界扩展断裂能仿真方法

说明书

本公开提供一种岩石双扭试件裂纹亚临界扩展断裂能仿真方法，涉及岩石亚临界裂纹扩展技术领域，制作岩石材料标准试样并进行试验，获取岩石材料力学参数；制作双扭试件并进行试验，获取试件荷载松弛率与破坏荷载；建立双扭试扩展有限元模型并预设缺口、裂纹，将获取的岩石材料力学参数、荷载松弛率与破坏载荷代入扩展有限元模型；对扩展有限元模型进行加载，获取预置裂纹起裂时间；定义裂纹间相互作用，计算双扭试件裂纹尖端能量释放率，获取预制裂纹起裂时刻裂纹尖端能量释放率为临界能量释放率；依据岩石材料力学参数和双扭试验获取的参数进行仿真和应用，从而获取断裂能，为避免岩石发生亚临界裂纹扩展研究提供数据支撑。

技术领域

本公开涉及岩石亚临界裂纹扩展技术领域，特别涉及一种岩石双扭试件裂纹亚临界扩展断裂能仿真方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

各种与岩体有关的工程失稳实例表明，岩体裂纹的扩展与发育是引起工程失稳破坏的主要原因之一。裂纹含有氧化物、硅酸盐时,当裂纹尖端的应力强度因子远低于断裂韧度时，裂纹仍会以一定的速度扩展。许多与环境有关的因素(如应力腐蚀等)导致了此类扩展。这种稳定的、准静态裂纹扩展称为亚临界扩展。

发明人发现，目前亚临界裂纹扩展的时变行为是岩石的主要特征之一。双扭转试验通常用于研究脆性和准脆性材料的慢速裂纹扩展行为。但是，目前双扭转试验存在以下难题：(1)将脆性岩石加工成厚度为3-5mm的极薄板，并且该过程非常困难。(2)岩石的异质性导致较大的差异。(3)测试加载方法复杂且不可逆。(4)亚临界裂纹扩展是岩石随时间变化行为的主要原因之一。现有的数值模拟结果不涉及时间。难以满足目前亚临界扩展研究和分析的需求。

发明内容

本公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种岩石双扭试件裂纹亚临界扩展断裂能仿真方法，采用双扭转试验和数值模拟方法，依据岩石材料力学参数和双扭试验获取的参数进行仿真和应用，从而得到裂纹尖端能量释放率-时间曲线，获取断裂能，为避免岩石发生亚临界裂纹扩展研究提供数据支撑。

为了实现上述目的，采用以下技术方案：

一种岩石双扭试件裂纹亚临界扩展断裂能仿真方法，包括以下步骤：

制作岩石材料标准试样并进行试验，获取岩石材料力学参数；

制作双扭试件并进行试验，获取试件荷载松弛率与破坏荷载；

建立双扭试件的扩展有限元模型并预设缺口、裂纹，将获取的岩石材料力学参数、荷载松弛率与破坏载荷代入扩展有限元模型；

对扩展有限元模型进行加载，获取预置裂纹起裂时间；

定义裂纹间相互作用，计算双扭试件裂纹尖端能量释放率，获取预制裂纹起裂时刻裂纹尖端能量释放率为临界能量释放率。

进一步地，对标准试样进行力学实验，所获取的力学参数包括弹性模量、泊松比和抗拉强度。

进一步地，对双扭试件进行快速加载，使得荷载趋近双扭试件的破坏荷载，控制双扭试件位移保持定值，使得双扭试件上的荷载松弛，获取双扭试件荷载松弛率。

进一步地，当双扭试件荷载松弛至稳定时，快速加载至双扭试件破坏，测得破坏荷载。

进一步地，基于最大拉应力准则，采用扩展有限元方法，依据力学参数建立含V型缺口、带预置裂纹的三维双扭试件扩展有限元模型。

进一步地，进行加载时，通过参考点耦合的方式施加集中载荷，将载荷以位移形式加载，控制加载速度，获取双扭试件裂纹扩展结果，分别获取裂纹尖端最大主应力、加载点力与时间的对应关系。

进一步地，获取裂纹尖端最大主应力-时间曲线和加载点力-时间曲线，与实验对比验证数值计算模型的正确性，并读取预置裂纹起裂时间。