一种蠕变裂纹起裂及扩展的预测方法、系统、设备及介质

本发明涉及岩土工程领域，特别是涉及一种蠕变裂纹起裂及扩展的预测方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、在许多岩土工程领域，如建筑结构、管道、石化设备等，材料在长时间的载荷作用下会发生蠕变现象。蠕变是指材料在高温、高载荷作用下，随着时间的推移，逐渐发生塑性变形的现象。在蠕变过程中，材料内部可能会出现微裂纹，这些微裂纹的扩展会导致材料失效。因此，预测蠕变裂纹的起裂及扩展对于防止工程事故具有重要意义。

2、现有的裂纹扩展预测方法主要包括有限元分析(fea)、断裂力学、疲劳理论等。这些方法在一定程度上可以预测裂纹的扩展行为，但在实际应用中存在一定的局限性，例如计算时间长，效率低等。此外，现有的裂纹扩展预测方法往往忽略了材料内部的渗流现象，使预测结果的准确性不高。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种蠕变裂纹起裂及扩展的预测方法、系统、设备及介质，以准确、高效地预测得到裂纹的起裂及扩展信息。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种蠕变裂纹起裂及扩展的预测方法，包括：

4、获取岩土材料的蠕变数据和裂纹体受力情况；所述蠕变数据包括：受力条件和应变-时间曲线；所述受力条件包括：最大主应力、最小主应力和渗透压；

5、建立burgers蠕变模型，并根据所述burgers蠕变模型和所述蠕变数据确定蠕变参数；所述蠕变参数包括：弹簧元件的剪切模量和粘壶元件的粘滞系数；

6、根据所述受力条件，建立考虑渗流场和应力场影响的裂纹面上应力场模型；

7、根据所述蠕变参数和所述裂纹面上应力场模型确定裂纹尖端蠕变断裂强度因子；

8、基于最大周向应力准则和压剪断裂强度准则，根据所述裂纹尖端蠕变断裂强度因子预测蠕变裂纹起裂信息；所述蠕变裂纹起裂信息包括：起裂角、起裂强度和起裂时间；

9、根据所述裂纹体受力情况建立翼型裂纹扩展模型，并根据所述翼型裂纹扩展模型和所述裂纹尖端蠕变断裂强度因子预测蠕变裂纹扩展信息；所述蠕变裂纹扩展信息包括：扩展长度和扩展时间。

10、可选地，所述burgers蠕变模型由maxwell体和kelvin体串联构成；所述burgers蠕变模型的表达式为：

11、

12、其中，ε(t)为岩土材料的蠕变变形；σ1为施加在岩土材料上的最大主应力；σ3为施加在岩土材料上的最小主应力；g1为maxwell体中弹簧元件的剪切模量；g2为kelvin体中弹簧元件的剪切模量；η1为kelvin体中粘壶元件的粘滞系数；η2为maxwell体中粘壶元件的粘滞系数；t为蠕变时间。

13、可选地，所述裂纹面上应力场模型的表达式为：

14、

15、其中，σn为裂纹面上的正应力；τ为裂纹面上的剪应力；p为渗透压；θ为裂纹倾角；β为连通率；cn为传压系数；cv为传剪系数；σ1为施加在岩土材料上的最大主应力；σ3为施加在岩土材料上的最小主应力。

16、可选地，根据所述蠕变参数和所述裂纹面上应力场模型确定裂纹尖端蠕变断裂强度因子，具体包括：

17、基于断裂力学理论，根据所述蠕变参数和所述裂纹面上应力场模型确定裂纹尖端应力强度因子；

18、基于流变力学理论，根据所述裂纹尖端应力强度因子和恒定荷载下根据burgers蠕变模型获得的时间因子确定裂纹尖端蠕变断裂强度因子。

19、可选地，所述裂纹尖端应力强度因子的表达式为：

20、

21、

22、其中，ki为张拉型裂纹的裂纹尖端应力强度因子；kii为滑移型裂纹的裂纹尖端应力强度因子；σ1为施加在岩土材料上的最大主应力；σ3为施加在岩土材料上的最小主应力；cn为传压系数；cv为传剪系数；p为渗透压；a为初始裂纹长度一半；θ为裂纹倾角；β为连通率；τ′为裂纹面上的有效剪应力，且有τ′＝τ-fσn；h(τ′)为τ′的阶跃函数，且有σn为裂纹面上的正应力；f为裂纹面的摩擦系数；

23、所述裂纹尖端蠕变断裂强度因子的表达式为：

24、

25、

26、其中，kic为张开型裂纹尖端蠕变断裂强度因子；kiic为闭合型裂纹尖端蠕变断裂强度因子；g(t)为恒定荷载下根据burgers蠕变模型获得的时间因子，且有g(t)＝1+c0(1-e-λt)+c1t，其中，第一系数第二系数指数g1为maxwell体中弹簧元件的剪切模量；g2为kelvin体中弹簧元件的剪切模量；η1为kelvin体中粘壶元件的粘滞系数；η2为maxwell体中粘壶元件的粘滞系数。

27、可选地，基于最大周向应力准则和压剪断裂强度准则，根据所述裂纹尖端蠕变断裂强度因子预测蠕变裂纹起裂信息，具体包括：

28、基于最大周向应力准则确定裂纹尖端周向应力的表达式；

29、根据所述裂纹尖端周向应力的表达式确定起裂角；

30、基于压剪断裂强度准则，根据所述裂纹尖端蠕变断裂强度因子构建压剪断裂强度模型；

31、根据所述压剪断裂强度模型确定起裂强度；

32、将所述起裂强度等于设定轴压值时的蠕变时间确定为起裂时间。

33、可选地，根据所述裂纹体受力情况建立翼型裂纹扩展模型，并根据所述翼型裂纹扩展模型和所述裂纹尖端蠕变断裂强度因子预测蠕变裂纹扩展信息，具体包括：

34、根据所述裂纹体受力情况建立翼型裂纹扩展模型；

35、根据所述翼型裂纹扩展模型确定翼型裂纹尖端应力强度因子；

36、根据所述翼型裂纹尖端应力强度因子和所述裂纹尖端蠕变断裂强度因子确定扩展长度；所述扩展长度包括：瞬时扩展长度、最终扩展长度和流变扩展长度；

37、将所述翼型裂纹扩展模型中的分支裂纹长度等于所述流变扩展长度时的断裂时间确定为扩展时间。

38、一种蠕变裂纹起裂及扩展的预测系统，包括：

39、数据获取模块，用于获取岩土材料的蠕变数据和裂纹体受力情况；所述蠕变数据包括：受力条件和应变-时间曲线；所述受力条件包括：最大主应力、最小主应力和渗透压；

40、蠕变参数确定模块，用于建立burgers蠕变模型，并根据所述burgers蠕变模型和所述蠕变数据确定蠕变参数；所述蠕变参数包括：弹簧元件的剪切模量和粘壶元件的粘滞系数；

41、裂纹面上应力场建立模块，用于根据所述受力条件，建立考虑渗流场和应力场影响的裂纹面上应力场模型；

42、裂纹尖端蠕变断裂强度因子确定模块，用于根据所述蠕变参数和所述裂纹面上应力场模型确定裂纹尖端蠕变断裂强度因子；

43、蠕变裂纹起裂信息预测模块，用于基于最大周向应力准则和压剪断裂强度准则，根据所述裂纹尖端蠕变断裂强度因子预测蠕变裂纹起裂信息；所述蠕变裂纹起裂信息包括：起裂角、起裂强度和起裂时间；

44、蠕变裂纹扩展信息预测模块，用于根据所述裂纹体受力情况建立翼型裂纹扩展模型，并根据所述翼型裂纹扩展模型和所述裂纹尖端蠕变断裂强度因子预测蠕变裂纹扩展信息；所述蠕变裂纹扩展信息包括：扩展长度和扩展时间。

45、一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行上述的蠕变裂纹起裂及扩展的预测方法。

46、一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的蠕变裂纹起裂及扩展的预测方法。

47、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

48、本发明提供的蠕变裂纹起裂及扩展的预测方法，通过建立burgers蠕变模型以及考虑渗流场和应力场影响的裂纹面上应力场模型，根据burgers蠕变模型确定的蠕变参数和裂纹面上应力场模型确定裂纹尖端蠕变断裂强度因子，进而基于最大周向应力准则和压剪断裂强度准则预测蠕变裂纹起裂信息，基于由裂纹体受力情况建立的翼型裂纹扩展模型预测蠕变裂纹扩展信息，能够准确、高效地预测得到裂纹的起裂及扩展信息，为渗流-蠕变作用下岩土材料的断裂分析提供基础，为相关岩体工程的设计和施工提供实用指导。