本發(fā)明屬于土木工程領(lǐng)域，具體涉及一種界面裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展下動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、目前，隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，由混凝土與巖石組成的工程體在土木工程領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，如地下建筑的襯砌與圍巖、水利大壩的壩體與巖基、橋梁嵌巖樁的樁身與巖體等。因此，對(duì)于這類型工程體的安全性進(jìn)行研究，就顯得尤為重要。

2、在這類工程體中，混凝土-巖石界面屬于工程體中的薄弱環(huán)節(jié)。在外載，特別是外部動(dòng)態(tài)荷載（如地震、爆破、沖擊等）的作用下，混凝土-巖石界面容易產(chǎn)生界面裂紋并不斷擴(kuò)展，從而對(duì)工程體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及使用壽命產(chǎn)生極大的影響。因此，大量研究人員對(duì)界面裂紋的擴(kuò)展規(guī)律和動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行了研究。

3、現(xiàn)階段，常用的針對(duì)界面裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展下動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算方案，主要存在兩類：試驗(yàn)-數(shù)值方案和理論分析方案。其中，試驗(yàn)-數(shù)值方案基于試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)定和數(shù)值模擬，計(jì)算得到動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子；而理論分析方案則針對(duì)已知試件參數(shù)和外載條件，根據(jù)復(fù)變函數(shù)理論進(jìn)行計(jì)算。但是，這兩類方案在實(shí)際應(yīng)用中，都需要耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，而且方案的普遍適用性較差。而且，這類方案往往并未考慮裂紋擴(kuò)展速度對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響；因此，這類方案也存在可靠性和精確性較差的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的之一在于提供一種可靠性高、精確性好且通用性好的界面裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展下動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算方法。

2、本發(fā)明的目的之二在于提供一種實(shí)現(xiàn)所述界面裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展下動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算方法的系統(tǒng)。

3、本發(fā)明提供的這種界面裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展下動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算方法，包括如下步驟：

4、s1.?基于聲發(fā)射試驗(yàn)或材料自身的屬性，計(jì)算得到界面兩側(cè)第一材料和第二材料的縱波波速及橫波波速；

5、s2.?基于界面裂紋的數(shù)字圖像，通過裂紋尖端在一段時(shí)間內(nèi)的位置變化信息，計(jì)算得到界面裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展下的擴(kuò)展速度；

6、s3.?基于權(quán)函數(shù)法，構(gòu)建界面兩側(cè)第一材料和第二材料的裂紋尖端漸近場(chǎng)表達(dá)式，并計(jì)算得到ⅰ和ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子；

7、s4.?將步驟s3得到的ⅰ和ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子代入步驟s2中數(shù)字圖像上距離裂紋尖端不同位置所對(duì)應(yīng)的位置值，計(jì)算得到界面裂紋關(guān)于ⅰ和ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子的表達(dá)式；

8、s5.?將步驟s4得到的界面裂紋關(guān)于ⅰ和ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子的表達(dá)式，代入位移外推法的計(jì)算公式中，完成界面裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展下動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算。

9、所述的步驟s1，具體包括如下步驟：

10、通過聲發(fā)射試驗(yàn)，直接測(cè)得界面兩側(cè)第一材料和第二材料的縱波波速及橫波波速；j的取值為1或2，j為1表示第一材料，j為2表示第二材料；

11、若無法進(jìn)行聲發(fā)射試驗(yàn)，則基于材料自身的屬性，采用如下算式計(jì)算得到界面兩側(cè)第一材料和第二材料的縱波波速及橫波波速：式中為第j材料的第一拉梅常數(shù)；為第j材料的第二拉梅常數(shù)；為第j材料的材料密度；

12、的計(jì)算公式為；

13、的計(jì)算公式為式中為第j材料的泊松比；為第j材料的彈性模量。

14、所述的步驟s2，具體包括如下步驟：

15、基于界面裂紋的數(shù)字圖像，得到裂紋尖端在t時(shí)刻的坐標(biāo)和時(shí)刻的坐標(biāo)，計(jì)算得到界面裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展下的擴(kuò)展速度v為，其中為裂紋擴(kuò)展時(shí)間，為時(shí)間內(nèi)裂紋尖端的x軸變化量，為時(shí)間內(nèi)裂紋尖端的y軸變化量。

16、所述的步驟s3，具體包括如下步驟：

17、基于權(quán)函數(shù)法，構(gòu)建得到如下算式：式中為第j材料在x方向上的應(yīng)力分量；為第j材料的縱波計(jì)算參數(shù)，且；為第j材料的橫波計(jì)算參數(shù)，且；為橫波在極坐標(biāo)系上的級(jí)徑；為第j材料的第一不定權(quán)函數(shù)；為橫波在極坐標(biāo)系上的級(jí)角；為第j材料的第二不定權(quán)函數(shù)；為縱波在極坐標(biāo)系上的級(jí)徑；第j材料的為第三不定權(quán)函數(shù)；為縱波在極坐標(biāo)系上的級(jí)角；為第j材料的第四不定權(quán)函數(shù)；為第j材料在y方向上的應(yīng)力分量；為第j材料的剪切應(yīng)力；為第j材料在x方向上的位移分量；為第j材料在y方向上的位移分量；為奇異性指數(shù)，且表達(dá)式為其中為第j材料的奇異性指數(shù)第一計(jì)算系數(shù)，且；為第j材料的奇異性指數(shù)第二計(jì)算系數(shù)，且；為第j材料的奇異性指數(shù)第三計(jì)算系數(shù)，且；為自行設(shè)定的正整數(shù)；

18、由ⅰ型裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子和ⅱ型裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的定義式，求解得到和，表示為和；

19、以和為基函數(shù)，通過邊界條件和連續(xù)性條件，計(jì)算得到式中為第一二階系數(shù)矩陣中第1行元素，的表達(dá)式為，為中第m行第j列的元素，為第二二階系數(shù)矩陣且，為第三二階系數(shù)矩陣且；為中第2行元素；為第四二階系數(shù)矩陣中第m行第n列的元素，的表達(dá)式為，為第五二階系數(shù)矩陣且，為第六二階系數(shù)矩陣且；為第七二階系數(shù)矩陣中第m行第n列的元素，，為第八二階系數(shù)矩陣且，為第九二階系數(shù)矩陣且。

20、所述的步驟s4，具體包括如下步驟：

21、在步驟s2中獲取時(shí)距離裂紋尖端不同位置所對(duì)應(yīng)的 x、 y方向位移值，并代入步驟s3得到的ⅰ和ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子的表達(dá)式，得到界面裂紋關(guān)于ⅰ和ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子的表達(dá)式為：式中為第i點(diǎn)上下表面x方向位移的差值；為第i點(diǎn)裂紋上表面記錄的x方向位移；為第i點(diǎn)裂紋下表面記錄的x方向位移；為第i點(diǎn)上下表面y方向位移的差值；為第i點(diǎn)裂紋上表面記錄的y方向位移；為第i點(diǎn)裂紋下表面記錄的y方向位移；為第i點(diǎn)距離裂紋尖端的距離；為第i點(diǎn)的裂紋面第i點(diǎn)上ⅰ型應(yīng)力強(qiáng)度因子；為裂紋面第i點(diǎn)上ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子。

22、所述的步驟s5，具體包括如下步驟：

23、將步驟s4得到的界面裂紋關(guān)于ⅰ和ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子的表達(dá)式，代入位移外推法的計(jì)算公式中，得到界面裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展下動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算式為式中為界面裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展下裂紋面ⅰ型動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子；為界面裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展下裂紋面ⅱ型動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子；n為位移外推法所取點(diǎn)的數(shù)量。

24、本發(fā)明還提供了一種實(shí)現(xiàn)所述界面裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展下動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算方法的系統(tǒng)，包括波參數(shù)計(jì)算模塊、擴(kuò)展速度計(jì)算模塊、第一因子計(jì)算模塊、裂紋強(qiáng)度計(jì)算模塊和動(dòng)態(tài)因子計(jì)算模塊；波參數(shù)計(jì)算模塊、擴(kuò)展速度計(jì)算模塊、第一因子計(jì)算模塊、裂紋強(qiáng)度計(jì)算模塊和動(dòng)態(tài)因子計(jì)算模塊依次串聯(lián)；波參數(shù)計(jì)算模塊用于基于聲發(fā)射試驗(yàn)或材料自身的屬性，計(jì)算得到界面兩側(cè)第一材料和第二材料的縱波波速及橫波波速，并將數(shù)據(jù)信息上傳擴(kuò)展速度計(jì)算模塊；擴(kuò)展速度計(jì)算模塊用于根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息，基于界面裂紋的數(shù)字圖像，通過裂紋尖端在一段時(shí)間內(nèi)的位置變化信息，計(jì)算得到界面裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展下的擴(kuò)展速度，并將數(shù)據(jù)信息上傳第一因子計(jì)算模塊；第一因子計(jì)算模塊用于根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息，基于權(quán)函數(shù)法，構(gòu)建界面兩側(cè)第一材料和第二材料的裂紋尖端漸近場(chǎng)表達(dá)式，并計(jì)算得到ⅰ和ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子，并將數(shù)據(jù)信息上傳裂紋強(qiáng)度計(jì)算模塊；裂紋強(qiáng)度計(jì)算模塊用于根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息，將得到的ⅰ和ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子代入數(shù)字圖像上距離裂紋尖端不同位置所對(duì)應(yīng)的位置值，計(jì)算得到界面裂紋關(guān)于ⅰ和ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子的表達(dá)式，并將數(shù)據(jù)信息上傳動(dòng)態(tài)因子計(jì)算模塊；動(dòng)態(tài)因子計(jì)算模塊用于根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息，將得到的界面裂紋關(guān)于ⅰ和ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子的表達(dá)式，代入位移外推法的計(jì)算公式中，完成界面裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展下動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算。

25、本發(fā)明提供的這種界面裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展下動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算方法及系統(tǒng)，通過對(duì)界面兩側(cè)材料的屬性進(jìn)行計(jì)算和分析，并基于權(quán)函數(shù)法完成了界面裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展下動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算；而且本發(fā)明的可靠性高、精確性好，普適性好，計(jì)算效率也更高。