应力波作用下脆性材料破坏过程数值模拟

摘要

随着国民经济的不断建设，地下工程、防护工程、矿产资源勘探开发等领域都得到了日益广泛的发展。岩石力学及裂纹扩展等特性的研究对这些工程的安全性和可靠性影响很大。岩石是一种非均匀性很强的准脆性材料，在动荷载作用下，当动荷载达到极限强度时，能量会瞬间释放导致岩石内部应力重新分布，进而诱使力学性质的劣化，使得岩石产生裂缝。在实际的工程中，岩石材料往往是在动荷载作用下，因此研究岩石类材料的动力特性及其在动荷载作用下的裂缝扩展特性尤为重要。
　　目前对岩石类材料的研究手段主要包括:实验方法、解析方法和数值模拟等，其中数值模拟是对实验和理论分析的补充。数值模拟方法依靠计算机高速的计算能力与相对低的成本逐渐被广大工程实践采纳。
　　本文主要采用RFPA2D-Dynamics软件对动荷载作用下岩石的力学特性及扩展特性进行数值模拟研究，完成以下主要内容:
　　1.阅读相关文献，归纳概括了目前国内外学者对岩石材料在应力波作用下的研究现状。
　　2.运用岩石破裂过程分析软件RFPA-dynamics，对冲击应力波作用下岩石试件的破裂进行了数值模拟，分析了荷载波形、均质度m、模型试件宽度、网格单元尺寸效应对岩石试件劈裂的影响。
　　3.运用岩石破裂过程分析软件RFPA-dynamics，对应力波作用下含颗粒脆性材料的裂纹扩展过程进行了数值模拟，分析了软硬颗粒及双向荷载对裂纹扩展的影响。
　　4.运用岩石破裂过程分析软件RFPA-dynamics，对应力波作用下复合材料界面裂缝弯曲现象进行了数值模拟，分析了复合材料弹性模量及双向荷载对界面裂缝弯曲的影响。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 岩石动态力学发展趋势

1．4 研究内容和方法

2 岩石破裂过程分析RFPA系统简介

2．1 RFPA基本原理

2．2 网格划分

2．3 基本赋值

2．4 应力应变分析

2．5 相变分析

2．6 RFPA2D分析过程流程图

3 冲击应力波作用下岩石破裂数值模拟研究

3．1 引言

3．2 数值模拟研究及计算结果分析

3．2．1 荷载峰值及荷载作用时间对岩石试件破坏模式的影响

3．2．2 均质度m对岩石试件破坏模式的影响

3．2．3 岩石试件长宽比对岩石试件破坏模式的影响

3．2．4 动荷载条件下岩石试件破坏数值模拟的网格效应

3．3 本章小结

4 应力波作用下含颗粒脆性材料裂纹扩展数值模拟研究

4．1 引言

4．2 数值模拟模型

4．3 计算结果分析

4．3．1 颗粒与基质弹性模量比对裂纹扩展的影响

4．3．2 双向荷载对裂纹扩展的影响

4．4 本章小结

5 应力波作用下复合材料界面裂纹扩展数值模拟研究

5．1 引言

5．2 数值模拟模型

5．3 模拟计算结果

5．3．1 单向拉伸动态荷载作用下两材料弹性模量比对裂缝扩展的影响

5．3．2 双向拉伸动态荷载对两材料界面裂缝扩展的影响

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢