岩石动态断裂韧度温度相关性的实验研究

利用CCCD—SHPB（CentralCrackedCircularDisk—SplitHopkinsonPressureBar）试验系统对花岗岩试件实施同一加载速率、不同温度下的纯I加载试验,进而研究环境温度对岩石类材料动态断裂性能的影响。实验过程中控制加载脉冲,使得测试试件的加载速率基本一致,测得不同温度下试件两端平均栽荷P随时间的变化关系,将最大P-max心裂纹圆盘应力强度因子墨公式,获得不同温度下中心裂纹巴西圆盘岩石试件的动态断裂韧度蜀。。测试结果表明,温度处于10—100℃时,花岗岩动态断裂韧度K-Id温度的升高逐步下降,近似呈线性关系。     

花岗岩和混凝土动态拉伸性能研究

为了研究岩石类材料在高加载率下的动态拉伸性能,利用纯铜波形整形器改进后的分离式Hopkinson压杆装置(SHPB),在不同加载率下分别对花岗岩和混凝土试件进行了动态巴西圆盘实验.基于实验结果,分析了岩石类材料的动态拉伸破坏时间、劈裂破坏模式、动态拉伸应变和拉伸应力的加载率相关性规律.通过对比研究表明岩石类材料在高加载率下抗拉强度的加载率敏感性远大于其抗压强度,混凝土的动态力学性能的加载率敏感性大于花岗岩.     

冲击载荷下复合材料层板断裂韧性的实验研究

利用Hopkinson杆加载装置,对带有单边切口的CFRP、GFRP层板试件进行冲击拉伸加载实验。根据一维应力波理论求得作用于试件上的载荷P(t)和试件加载点的位移δ(t)。根据试样中应力随时间的变化历史σ(t),再结合断裂韧性测试原理,建立动态应力强度因子KI(t)响应曲线。利用柔度变化率方法确定起裂时间,分别得到在2种加载速率下CFRP、GFRP层板的动态断裂韧性。     

不同速率下单双钎头破岩声发射数值分析

选用脆性花岗岩为研究对象,利用岩石破裂过程分析软件RFPA2D,分别对其进行单、双钎头在不同加载速率下的数值模拟试验,得到RFPA2D应力图及相对应同一加载步下的声发射图。结果表明:较单钎头相比,岩石在双钎头协同作用下将会形成应力叠加,且钎头下面的裂纹会对相邻裂纹产生影响,裂纹尖端会产生应力集中,试件破坏释放出的声发射能量和声发射计数更大;随着加载速率的增大,试件释放的声发射总能量增大,且所得竖向载荷增大。     

45#钢动态断裂韧性测试的试验研究

利用旋转盘式间接杆-杆型冲击拉伸试验装置，对带周边切口的短圆柱小试件（45#钢）进行了室温下的平面应变型弹塑性材料动态断裂试验。用试件两端的平均载荷-相对位移曲线（P-δ）来推广Rice公式确定动态J积分，采用柔度变化率法确定起裂时间，从而获得表征弹塑性材料动态起裂韧度JID。冲击拉伸试验表明，作为典型的应变率相关弹塑性材料的45#钢，其断裂韧性随加载速率的增加而下降。     

脉冲载荷影响岩石动态断裂韧性的有限元分析

依据岩石材料的力学性质以及中心裂纹圆盘试件在脆性材料断裂韧度测试方面的优越性,提出了在霍布金森压杆上使用中心裂纹圃盘试件来测试岩石动态断裂韧度的试验方法。利用有限元分析软件,通过对该试验系统的纯Ⅰ型加载情况下的三维动力学有限元计算,系统的分析了加载脉冲上升沿对岩石类材料动态断裂韧度测试的影响。通过比较中心裂纹圆盘试件动态应力强度因子的近场解和远场解,依据有限元分析结果确定动载荷脉冲上升沿时间对岩石动态应力强度因子的影响,从而选择合理的时间值。     

利用实验和数值结合的方法测量镁合金AZ91动态断裂韧性

利用Hopkinson压杆实现镁合金AZ91三点弯曲断裂试件的动态加载,基于傅里叶变换和VC++面向对象的程序设计方法修正了加载应力波在传播过程中的弥散效应,同时扣除了附加加载杆楔形头惯性效应对加载波的影响。利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对三点弯曲试样在冲击载荷下的动态响应进行了分析,采用虚拟裂纹闭合技术求得动态应力强度因子时程曲线,依据监裂应变计测试信号,换算起裂时间,确定对应于动态应力强度因子时程曲线的值,即为镁合金AZ91的动态断裂韧性。本文提供的实验和有限元数值计算相结合获得镁合金断裂韧性的方法为镁合金构件抗冲击设计和动态载荷作用下结构的安全评定提供依据,也拓宽了Hopkinson压杆实验技术在测试材料动态断裂韧性方面的应用范围。     

冲击载荷下岩石试件破碎耗能的尺寸效应研究

能量转化在岩石变形破坏过程中发挥根本性的作用,研究并建立岩石破坏过程中能量消耗的变化规律,将有助于理解动载作用下岩石强度变化和变形破坏的本质特征.采用SHPB装置对不同直径的半巴西圆盘试样进行动态加载实验,从冲击因子的角度对岩石动态破坏的能量消耗、强度特征以及动态尺寸效应进行分析.实验结果表明:当试件尺寸一定时,岩石破碎时吸收能、起裂韧度和断裂能密度均随冲击因子的增加而线性增加;当冲击因子一定时,随试件尺寸的增大,吸收能、起裂韧度和断裂能密度均增大,具有明显的尺寸效应.采用冲击因子表示岩石的变形破坏具有更好的工程适用性.     

SHPB恒应变率加载试验技术研究

基于对SHPB试验系统数据处理原则和SHPB试验装置在岩石材料中应用条件等问题的全面分析,得出了实现恒应变率加载能够有效地解决SHPB试验装置在进行岩石类材料冲击试验中存在的应力不均匀和弥散效应等问题的结论;确定了柱锥形子弹是实现恒应变率加载的有效手段;对总长400mm的柱锥子弹的不同形状参数进行模拟分析,得出了实现花岗岩恒应变率加载的最优柱锥子弹大小端面比为0.7,试件长径比为0.75~0.82,子弹最优锥长为300 mm.通过与传统圆柱子弹加载波形对比,从数值模拟和试验两个方面验证了所设计的柱锥形子弹实现了对花岗岩恒应变率的冲击加载.     

SHPB试验中应力波在损伤非线弹性材料中的传播

为了研究高应变率冲击压缩荷载作用下,岩石类材料的非线弹性力学特性,建立了描述SHPB试验中应力波在考虑损伤及应变率强化效应的非线弹性岩石类材料中传播的波动方程.将混合遗传算法与有限差分法数值计算方法相结合,建立了数值分析程序,在花岗岩SHPB试验研究基础上,模拟了SHPB试验中从应力波进入入射杆到试件破碎的整个加载过程中应力波在入射杆、透射杆以及岩石类试件中的传播过程,进而求得试件上的应力与应变.由理论计算的应力应变曲线与试验曲线对比分析,验证了应力波在考虑损伤的非线弹性材料中的波动方程及数值分析方法的适用性和可靠性.     

Dynamic Mode Ⅱ fracture behavior of rocks under hydrostatic pressure using the short core in compression(SCC) method

The shear failure of rocks under both a static triaxial stress and a dynamic disturbance is common in deep underground engineering and it is therefore essential for the design of underground engineering to quantitively estimate the dynamic Mode Ⅱ fracture toughness K_(ⅡC)of rocks under a triaxial stress state.However, the method for determining the dynamic K_(ⅡC)of rocks under a triaxial stress has not been developed yet. With an optimal sample preparation, the short core in compression(SCC) method was designed and verified in this study to measure the dynamic K_(ⅡC)of Fangshan marble(FM) subjected to different hydrostatic pressures through a triaxial dynamic testing system. The formula for calculating the dynamic K_(ⅡC)of the rock SCC specimen under hydrostatic pressures was obtained by using the finite element method in combination with secondary cracks. The experimental results indicate that the failure mode of the rock SCC specimen under a hydrostatic pressure is the shear fracture and the K_(ⅡC)of FM increases as the loading rate. In addition, at a given loading rate the dynamic rock K_(ⅡC)is barely affected by hydrostatic pressures. Another important observation is that the dynamic fracture energy of FM enhances with loading rates and hydrostatic pressures.     

用Hopkinson压杆技术测试材料动态断裂韧性的方法研究

对传统的Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆测试系统进行了改进,建立了应力波载荷作用下材料动态断裂韧性的测试方法,该方法采用３点弯曲试样进行动态断裂试验,应用试验－－数值法确定动态应力强度因子的响应曲线,进而测试材料的动态断裂韧性。４０Ｃｒ材料的试验结果表明,本文设计的测试装置是有效的,建立的测试方法是可行的。     

水泥石动态断裂韧性的实验研究

随着大庆油田内部挖潜,开发薄油层,对固井质量提出了更高的要求,水泥石是“先天”带有大量微裂纹和缺陷的脆性材料。为了减轻射流侵彻对水泥环的破坏,改善界面的密封胶结性能,必须对现有的水泥石进行改性研究。根据超混复合材料的原理,我们在水泥石的配比中增加几种填料,通过填料影响改变水泥石的动态断裂韧性。将水泥石制成短棒试件,用分段式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆对几种改性配方的水泥石的动态断裂韧性进行实验测定,给出     

确定现代陶瓷材料断裂韧度的人字形裂纹法

人字形裂纹法是测量脆性材料平面应变断裂韧度K_1值最有效的方法。试验期间,裂纹在人字形切口的端部形成,随着载荷的增加而稳定地扩展。人字形切口法的优点是在加载试验的早期阶段就自然形成了一个锐型裂纹,而不再需要制作预裂纹。对于特定的试样和裂口几何形状,最大荷载与裂纹长度有关,而与材料无关。用此最大荷载可以确定断裂韧度,而不再需要测量裂纹的长度。     

冲击载荷下脆性岩板损伤断裂演化的实验模拟研究

在矿山运输系统中,井壁围岩冲击损伤破坏对经济和安全效益的影响是至关重要的,因为动态冲击载荷对井壁围岩和支护结构会产生严重的削弱破坏作用,室内研究表明,岩石样品如岩板在动态载荷的冲击作用下会失效。为研究在低速冲击载荷作用下,脆性岩石损伤断裂的演化过程,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置中压缩气体发射球体子弹对脆性岩板进行变角度冲击损伤实验,岩板受到冲击后,边缘出现凹坑,表面裂纹从撞击凹坑直达岩板边缘,实验中样品的表面裂纹能有效代表试样内部的开裂状况,能有效反映冲击能量的耗散、破裂区面积与裂纹表面积随入射能量呈非线性增长趋势,同时与入射角度相关,但当破裂区面积急剧下降时,裂纹表面积反而急剧上升,表明裂纹的发生发展有明显的孕育期,在入射能量达到临界值前,主要表现为裂纹孕育增长,在达到临界值后,发生宏观断裂破坏,裂纹面积呈负增长,破裂区面积增大。实验结果分析表明在实际工程中,围岩和支护结构的抗冲击的最优化设计角度范围在15°～30°。     

Numerical study of the semi-circular bend dynamic fracture toughness test using discrete element models

The semi-circular bend(SCB) dynamic fracture toughness test is simulated using discrete element models. The influence of the frictional boundary condition, constitutive law and specimen thickness on the test measurements is investigated. It is found that friction between loading plates and the rock specimen affects the test results. Therefore, friction must be carefully considered to obtain accurate measurements. The simulation results also show that in contrast to the 2D model in which a rate-dependent cohesive law must be introduced, 3D models with a rate-independent law can produce good results. Furthermore, the study suggests that test measurements are seriously affected by specimen thickness; thus, full 3D modeling is required for simulation of the SCB test.     

Effect of specimen thickness on Mode II fracture toughness of rock

Anti-symmetric four-point bending specimens with different thickness, without and with guiding grooves, were used to conduct Mode II fracture test and study the effect of specimen thickness on Mode II fracture toughness of rock. Numerical calculations show that the occurrence of Mode II fracture in the specimens without guiding grooves (when the inner and outer loading points are moved close to the notch plane) and with guiding grooves is attributed to a favorable stress condition created for Mode II fracture, i.e. tensile stress at the notch tip is depressed to be lower than the tensile strength or to be compressive stress, and the ratio of shear stress to tensile stress at notch tip is very high. The measured value of Mode II fracture toughness K _{II C} decreases with the increase of the specimen thickness or the net thickness of specimen. This is because a thick specimen promotes a plane strain state and thus results in a relatively small fracture toughness. Foundation item: The National Natural Science Foundation of China (No: 49672164) Biography of the first author: RAO Qiu-hua, doctor of engineering, born in 1965, majoring in rock fracture mechanics.