含单侧预制裂纹梁的冲击动态断裂过程试验研究

利用动焦散线试验方法研究了冲击下预制裂纹梁的动态断裂行为,对比分析了冲击荷载作用下单裂纹与双裂纹试件的应力强度因子、扩展轨迹以及速度、加速度等参数的变化规律。试验结果表明:冲击荷载作用下,含双裂纹且主裂纹在冲击点正下方的试件起裂时间最早,裂纹扩展后期朝向次裂纹方向发生较小的偏移;含Ⅰ型单裂纹的试件起裂时间次之,裂纹扩展路径呈直线;含双裂纹且两条裂纹均偏置于冲击点的试件起裂时间最晚,扩展过程中发生明显的曲裂现象。同时,裂纹扩展过程中曲裂现象越严重,裂纹扩展的最大速度就越小。在落锤冲击试件到试件断裂的整个阶段,应力强度因子一直表现出振荡变化。含双裂纹的试件,在主裂纹扩展中期,次裂纹上的应力强度因子有一个快速下降的过程。     

用圆孔内单边裂纹平台巴西圆盘和实验-数值-解析法确定砂岩的动态起裂和扩展韧度

在I型(张开型)动态断裂实验中,利用大直径(?100 mm)分离式霍普金森压杆径向冲击圆孔内单边裂纹平台巴西圆盘试样。考虑了材料惯性效应和裂纹扩展速度对动态应力强度因子的影响,用实验-数值-解析法确定了高加载率和高裂纹扩展速度情况下,砂岩的动态起裂韧度和动态扩展韧度。由动态实验获取试样的动荷载历程,采用裂纹扩展计(Crack Propagation Gauge,CPG)测定试样断裂时刻和裂纹扩展速度,获得裂纹扩展速度对应的普适函数值。然后将动荷载历程带入到有限元软件中进行动态数值模拟,求出静止裂纹的动态应力强度因子历程,再用普适函数值对其进行近似修正。最后根据试样的起裂时刻和穿过CPG中点的时刻,由相应的动态应力强度因子历程分别确定砂岩的动态起裂和动态扩展韧度,它们分别随动态加载率和裂纹扩展速度的提高而增加。     

单边偏置裂纹相互作用的实验研究

为研究脆性介质中裂纹相互作用对裂纹扩展形态的影响,以有机玻璃(PMMA)为相似材料,采用动态焦散线实验方法开展了三点弯冲击动力学实验研究。结果表明:冲击荷载条件下,裂纹间相互作用影响裂纹起裂时间、裂纹尖端应力场以及裂纹偏转方向。裂纹相互作用使得裂纹起裂时应力强度因子K■降低,起裂所需能量累积时间缩短;裂纹扩展初始阶段,单偏置裂纹尖端应力场剪应力分量为正,应力强度因子K■大于0,单边偏置平行双裂纹相同位置处裂纹尖端应力场剪应力分量为负,K■小于0;裂纹距离中心位置10 mm的情况下,单偏置裂纹起裂后向内侧偏转,单边偏置平行双裂纹相同位置处裂纹向外侧偏转。     

冲击荷载下深梁动态断裂行为的光弹性实验

采用动态光弹性实验方法,对简支深梁进行冲击实验,研究其冲击动态断裂行为。实验得到了冲击断裂过程中深梁的等差条纹变化图片,分析了冲击荷载下裂纹尖端的动态应力强度因子和裂纹扩展速度的变化规律。研究结果表明:由于应力波的作用,在试件开裂前,预制裂纹尖端应力强度因子KdI始终呈波动上升的趋势,最大值为1.995MPa·m~(1/2);试件起裂后,裂尖动态应力强度因子KdI先迅速下降,然后保持在1.222~1.677 MPa·m~(1/2)内震荡,平均值为1.458 MPa·m~(1/2);裂纹起裂后,扩展速度先迅速增大,后保持在310~380 m/s,动态裂纹基本呈匀速扩展,平均扩展速度为345.703 m/s。     

用应变片法确定混凝土动态起裂时间的研究

在混凝土等准脆性材料的动态起裂韧度K_(1d)测试中,准确确定试件裂尖的起裂时间是测试工作的关键。采用分离式霍普金森压杆系统,对圆孔裂纹平台巴西圆盘混凝土试件进行动态径向冲击试验,通过在裂尖粘贴应变片的方法来确定起裂时间。讨论了应变片在裂纹尖端的粘贴位置、粘贴方向等因素对起裂时间测试值的影响,结果表明裂尖应变片的最佳粘贴方式是:在裂纹延长线上或在裂尖并与裂纹垂直的线上,都距离裂尖3 mm左右,且粘贴方向与裂纹延长线垂直。给出了考虑贴片位置和试件厚度的起裂时间计算公式。     

含圆孔缺陷三点弯曲梁的裂纹扩展特性实验研究

采用动态焦散线实验系统,对含圆孔缺陷的PMMA材料进行冲击断裂力学实验,研究三点弯曲梁中不同直径和位置的圆孔缺陷对扩展裂纹的影响。实验结果表明:扩展裂纹与圆孔缺陷相互作用前,呈现Ⅰ型拉伸断裂,扩展路径平直;与圆孔缺陷相互作用后,贯通萌生的次裂纹沿直线继续扩展,未贯通的裂纹偏移扩展。扩展裂纹与路径上圆孔缺陷贯通过程中,裂纹扩展速度和动态应力强度因子快速降为零,裂纹的扩展受到抑制,且圆孔直径越大、距离越近,抑制作用越显著;贯通萌生次生裂纹的起裂速度和起裂韧度,随着圆孔缺陷直径的增大而变大。扩展裂纹与偏置圆孔缺陷相互作用过程中,当圆孔缺陷直径越大、偏置距离越小,裂纹起偏距离越短,最大偏移量越大,并且扩展裂纹动态应力强度因子和扩展速度局部小幅增大。研究结果为分析动态裂纹扩展特征和材料破坏模式提供借鉴。     

含缺陷结构的冲击断裂试验研究

利用新型数字激光动态焦散线试验系统和落锤冲击加载平台,以缺陷端部曲率为单一变量,将孔状缺陷和裂纹缺陷纳入同一个试验研究体系。研究了冲击荷载下,含不同端部曲率中央缺陷的PMMA条形试件的三点弯曲动态断裂过程,断裂破坏经历三个阶段:前期为冲击应力波作用下,试件下边界裂纹的起裂与扩展;中期为裂纹在缺陷处的应力释放和停滞;后期为落锤自重作用下,缺陷端部的起裂与试件贯穿。在相同的试验条件下,不同端部曲率的缺陷对前期裂纹起裂与扩展基本没有影响;缺陷端部曲率越大,中期缺陷处停滞时间越短,并得出二者之间的近似函数关系;后期缺陷端部起裂时的应力强度因子随着缺陷端部曲率的增大呈现出先减小后增大的变化趋势。     

预制裂纹梁柱节点冲击破坏过程的动焦散线试验研究

利用透射式动焦散线研究了冲击作用下梁柱节点的动态断裂特性.由焦散斑特征尺寸获得梁柱构件的动态裂纹起裂时间、应力强度因子、扩展速度和材料的断裂韧性.试验结果表明预置裂纹梁柱结构的裂纹尖端应力集中诱发裂纹扩展,梁端节点裂纹受到正应力和剪应力的共同作用,裂纹表现为复合型断裂,而柱端节点的开裂时间明显滞后于梁端节点裂纹开裂,为I型裂纹.研究工作对于梁柱构件的抗冲击性能评估具有科学研究意义和工程应用价值.     

相互贯通裂纹动态断裂的试验研究

为了研究动荷载作用下裂纹角度对相互贯通裂纹动态断裂特性的影响,采用动焦散试验系统进行了含预制裂纹的三点弯冲击试验。试验结果表明:两分支裂纹相互贯通,在动荷载作用下翼裂纹只会从与竖直方向夹角较小的分支裂纹尖端起裂扩展,当有一支分支裂纹起裂后,另一分支裂纹动态应力强度因子快速下降,试件内应变能重新分布;起裂的翼裂纹首先沿准竖直方向扩展,当扩展到试件约2/3高度后,翼裂纹扩展速度下降,扩展轨迹弯曲程度加大,I-II复合型断裂明显;分支裂纹起裂瞬间的KdI和KdII随着该裂纹与竖直方向夹角θ的增加而增大,其扩展的平均速度随着夹角θ的增加而减小。     

含不同张开角度裂纹结构的动态断裂试验研究

不同结构的动态断裂行为受多个因素影响,其中裂纹缺陷对其影响最为显著。张开型裂纹是工程结构中十分常见的缺陷,而且张开角度往往并不固定。为研究结构的运动裂纹与不同预制角度裂纹相互作用的规律,以张开角度为单一变量,采用动态焦散线试验系统,在冲击荷载下对含不同张开角度裂纹的有机玻璃试件进行三点弯试验。研究发现：裂纹扩展经过不同张开角度的预制裂纹时,都会先扩展至预制裂纹夹角尖端,再从预制裂纹其中一端重新蓄能起裂,然后偏向落锤点方向扩展,最终贯穿整个试件;开口向上的预制裂纹会增加运动裂纹的扩展时长,而且预制裂纹的开口角度越大,对裂纹扩展产生的迟滞效应越大,裂纹贯穿试件的总时长越大;与预制裂纹相互作用阶段,动态裂纹都会先减速后增速至峰值,预制裂纹角度越大,裂纹扩展速度峰值越小,且当预制裂纹角度为180°时的峰值与无预制裂缝试件的峰值非常接近;运动裂纹再次从预制裂纹尖端处起裂时裂纹尖端应力强度因子迅速大幅增加后又迅速减小直至试件完全断裂。     

起爆方式对岩石爆破裂纹扩展影响的实验分析

为了了解硬岩爆破施工中,提高炸药能量利用率的最佳起爆方式或药包结构,在聚能作用和岩石破碎理论的基础上,分析了空穴聚能、爆轰聚能的聚能作用和爆破裂纹产生机理及准则。通过实验研究了中心雷管、空穴聚能和爆轰聚能的装药方式下爆破裂纹扩展规律。结果表明,3种装药方式下的岩石破碎区范围相差不大,但是中心雷管起爆时岩石径向裂纹较均匀,空穴聚能时在聚能罩的方向上形成较宽、较长的爆破裂纹,爆轰聚能在起爆点中心轴线上形成大的扩展裂纹,虽其宽度和长度均略小于空穴聚能装药,但该方法避免了金属材料的消耗和繁琐的施工工艺。结合红沿河核电站取水隧洞盾构孤石预裂爆破施工,开展的爆轰聚能的工业应用实验表明,采用爆轰聚能爆破技术使孤石强度大幅降低,减少了孤石对盾构机刀盘的磨损,避免了卡钻现象,使盾构机掘进速率提升至10.42mm/min,极大的提高了施工效率。研究结果对起爆技术改进和夹制力大的孤石爆破具有一定的指导意义。     

双轴动载作用下脆性裂纹扩展问题的近场动力学建模与分析

在双参数微极近场动力学弹脆性模型基础上,引入反映长程力尺寸效应的核函数修正项以提高定量计算精度和收敛稳定性。通过定量变形计算和双轴动载作用下含中心裂纹准脆性板的裂纹扩展过程模拟,验证了本文模型与算法。应用本文模型能准确反映动载作用下的裂纹起裂、扩展、分叉与二次分叉等现象。进一步分析了双轴动载作用下含不同倾角、不同间距平行双裂纹脆性板的破坏模式、起裂时间与承载能力,以及含不同倾角多裂纹脆性板的破坏机制。结果表明:初始裂纹倾角与间距对脆性板承载能力有显著影响,在平行双裂纹倾角一定时,间距越大脆性板承载能力越强;双轴动载作用下多裂纹扩展时,裂纹之间首先相互连接且无分叉,在初始裂纹连接贯通后向边界扩展时出现分叉及二次分叉。     

定向断裂双孔爆破含缺陷介质裂纹扩展的动焦散试验

利用爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统,进行双孔爆破爆炸应力波作用下缺陷介质裂纹扩展试验。研究了含水平预制裂纹和竖直预制裂纹的介质裂纹扩展路径、速度、加速度和裂尖动态应力强度因子变化规律。试验结果表明:在爆炸应力波作用下,预制裂纹尖端起裂,并扩展。炸药爆炸后,主裂纹的扩展速度迅速达到峰值,之后开始振荡减小,其加速度呈现波浪起伏式的振荡变化。次裂纹起裂后速度增大至峰值,然后开始减小。主裂纹尖端的动态应力强度因子K_Ⅰ从峰值振荡减小,又振荡增加至第二个峰值,之后振荡减小。次裂纹尖端的动态应力强度因子K_Ⅰ达到最大时,次裂纹起裂,之后K_Ⅰ振荡减小。裂纹扩展的过程中K_Ⅱ基本都小于K_Ⅰ。     

Simulation for intergranular stress corrosion cracking based on a three-dimensional polycrystalline model

In stress corrosion cracking of stainless steel, two different schemes of analysis of crack growth should be employed for the crack initiation phase and crack growth phase. However, this distinction is not clear-cut in the crack initiation phase, since the vicinity of the pre-existing crack is a preferential area of crack initiation due to concentration of stress. Therefore, initiation of crack tends to occur at the tip of a pre-existing crack and it can be regarded as crack growth. In this study, the contribution of this type of apparent crack growth, referred to as initiation dominant growth (IDG), to crack growth was evaluated by a Monte Carlo simulation. A three-dimensional polycrystalline body was generated by Voronoi tessellation. The cracks were assumed to grow along grain boundaries. The effect of stress-concentration around pre-existing cracks was taken into account by applying the finite element method. Initiation and propagation of the cracks were modeled based on concepts of damage mechanics. The simulation could reproduce the changes in number of cracks and the sum of crack length obtained experimentally as well as preferential crack initiation at the stress-concentration zones and suppression of crack initiation in stress-shielding zones. It was shown that the contribution of IDG to crack growth was large for small cracks, and that damage by crack initiation accounted for more than 50% of total damage even when the length of a crack was 0.6 mm at the surface.     

裂纹止裂技术及裂纹动态扩展规律研究

为了对动态荷载作用下水泥粉煤灰砂浆的裂缝动态扩展行为进行研究,提出了一种大尺寸带V型底边的半圆边裂纹(SECVB)试件,其V形底部具有止裂功能。SECVB试件的V形底部设计为180°,150°和120°三个角度。采用落锤冲击装置进行了冲击试验,并使用裂纹扩展计(CPG)用于测量裂纹扩展的相关参数。利用有限差分程序AUTODYN对裂纹扩展行为进行了数值模拟,并用有限元程序ABAQUS计算了裂纹的动态应力强度因子(DSIF);根据CPG测量的裂纹萌生时间和扩展时间来确定临界应力强度因子。试验和数值模拟结果表明,SECVB试件适合于研究动态荷载作用下水泥粉煤灰砂浆的裂纹扩展行为和止裂行为。在裂纹扩展过程中,裂纹可能在一段时间内止裂,并且裂纹在起始时刻的断裂韧度高于裂纹扩展时的断裂韧度。     

静态破碎剂膨胀作用下试件裂纹扩展试验研究

采用高速摄像技术,进行了静态破碎剂作用下材料破坏的物理试验,研究了膨胀作用下含切槽孔模型材料的动态断裂力学行为,获得了裂纹扩展速度和裂纹扩展加速度的变化规律。研究结果表明:静态破碎剂作用下含两翼切槽孔试件产生两条基本成直线的裂纹,裂纹扩展速度和加速度的变化基本是呈现先增加后降低的趋势;裂纹扩展加速度最大值到达的时间早于裂纹扩展速度到达最大值的时间;裂纹的萌生、扩展到最后的失稳过程非常明显。研究结果可为静态破碎剂在实际工程中的应用提供理论指导。     

Double torsion testing of high velocity crack resistance

Field tests show that cracks can propagate steadily at more than 300 m sec^–1 along gas-pressurized pipelines of normally ductile polyethylene, once initiated by impact. Although the determination of safe operating conditions demands a knowledge of the pipe material's resistanceR to such high-velocity cracks, devising an appropriate small-scale test presents major problems. Instrumented drop-weight testing of double torsion specimens offers a promising solution: constant-velocity brittle crack propagation is observed and, since the static deformation mode remains admissible in the dynamic régime, a simple analysis is possible. From displacement data, this provided quite consistent results up to 200 m sec^–1 crack velocity, whilst load measurements were more affected by transient torsional wave propagation. A simple dynamic analysis satisfying more boundary conditions supports the displacement-based quasi-static results, and offers to extend the method to higher crack velocities.