动态爆生裂纹相互影响的试验研究

采用以有机玻璃(PMMA)为材料的模型试验方法,分析了试件的破坏形态和裂纹尖端的应力特征,研究了对向切槽炮孔的不同竖向间距对爆生裂纹扩展的影响。结果表明:爆生裂纹扩展过程中,裂纹速度震荡减小,裂纹尖端应力变化经历两个阶段,Ⅰ阶段(0~110μs)裂纹尖端动态应力强度因子迅速减小,试件破坏以拉伸破坏为主;Ⅱ阶段(110μs~止裂)裂纹尖端动态应力强度因子先增大后减小,试件破坏兼有拉伸破坏和剪切破坏。炮孔的竖向间距的不同对爆生裂纹Ⅰ阶段扩展影响不大,对Ⅱ阶段扩展影响显著。对向裂纹起到自由面作用并引导己方裂纹向其发生偏转,从对向裂纹面处反射的应力波加强了己方裂纹尖端的应力集中。     

爆炸载荷下空孔缺陷与爆生裂纹扩展行为研究

空孔在岩石巷道直眼掏槽爆破中具有重要作用,为研究空孔及其缺陷在爆炸荷载作用下的扩展行为和作用机理,以PMMA代替岩石材料,利用预制裂纹代替空孔缺陷,借助动态焦散线系统和理论分析为手段,研究不同间距下空孔、空孔处预制裂纹、爆生裂纹动态扩展规律及机理,分析不同"径距比"与掏槽效果的关系。研究结果表明:在装药量一定的情况下,随着炮孔与空孔距离的变化,爆生裂纹扩展距离呈现递增而预制裂纹扩展距离呈现递减的趋势,但都存在极值;当炮孔与空孔距离较小时,爆生裂纹和预制裂纹扩展及相互作用最复杂,爆生裂纹扩展经历由压缩应力波为主,表现为直线的前期扩展;由空孔处发射应力波和压缩应力波共同作用下,爆生裂纹偏离炮孔与空孔连心线的中期扩展,以及由空孔应力集中区作用使爆生裂纹向空孔方向偏移的后期阶段;预制裂纹扩展经历由空孔处应力集中作用下,表现为直线的前期扩展,以及由爆生裂纹处反射拉伸波作用使其向爆生裂纹发展的后期阶段;当炮孔与空孔距离较大时,反射应力波及应力集中效应对爆生裂纹和预制裂纹扩展在减弱,爆生裂纹与预制裂纹扩展行为仅有前期直线扩展阶段。"径距比"的大小对爆破效果影响较大,直眼掏槽爆破应以最优"径距比"作为掏槽爆破参数设计的依据。     

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。     

爆生裂纹与层理缺陷相互作用的实验研究

为了研究爆生裂纹与层理缺陷的相互作用机制,采用新型数字激光动态焦散线实验方法对含层理岩体在爆炸载荷下的动态断裂行为进行了实验分析。实验结果表明:在爆炸载荷下,当炮孔切槽方向与层理面存在一定夹角θ时,爆炸使层理岩体裂纹扩展分为爆生主裂纹、界面裂纹、次生裂纹三个阶段;爆生主裂纹扩展到层理面后,不是直接贯通层理面沿原方向继续扩展,而是产生界面裂纹之后再继续扩展,产生的界面裂纹长度随夹角θ增大而减小;裂纹扩展贯通层理后,次生裂纹继续扩展,随夹角θ的增大,次生裂纹扩展长度逐渐增大;爆生主裂纹扩展过程中,随着爆生主裂纹尖端至层理面距离的减小,爆生主裂纹尖端动态应力强度因子和裂纹扩展速度均逐渐减小,说明层理面对爆生主裂纹的扩展起阻碍作用,且夹角θ越大阻碍作用越明显。实验研究分析了不同角度层理构造缺陷对裂纹扩展规律的影响。     

冲击载荷下双预置裂纹三点弯曲梁动态断裂实验

采用数字激光焦散线实验系统,对双预置裂纹三点弯曲梁进行了动态冲击实验,分析了双预置裂纹对试件裂纹尖端扩展速率和动态应力强度因子值的影响。实验结果表明:1双预置裂纹三点弯曲梁在动态冲击实验中,B裂纹作为开裂裂纹,其起裂时间和扩展速率峰值受到冲击载荷加载点与其预置位置之间水平距离值的影响,距离越小,起裂越快,扩展速率峰值越大;2试件开裂后,裂纹的裂纹扩展速度和动态应力强度因子值随时间的变化曲线均具有快速上升然后波动下降的规律;3B裂纹起裂所需能量随着A、B裂纹间距a值减小而增大。     

爆炸应力波作用下空孔周围裂纹群的扩展规律

为探究爆炸载荷下空孔应力集中区裂纹群扩展规律,采用爆炸加载透射式焦散线系统,研究单炮孔作用下空孔周围预制裂纹扩展的动态行为。研究结果表明:在空孔与炮孔连线方向上,空孔迎爆侧、背爆侧预制裂纹起裂并扩展,其余方向预制裂纹没有扩展,背爆侧裂纹扩展长度大于迎爆侧裂纹扩展长度;迎爆侧、背爆侧裂纹不会同时起裂,两者起裂时间差为40μs左右,迎爆侧裂纹在扩展阶段的速度和应力强度因子峰值大于背爆侧裂纹相应值;空孔对于爆生裂纹的导向作用随炮孔与空孔距离L的增大越来越不明显,迎爆侧、背爆侧裂纹扩展速度、应力强度因子值随着L的增大而减小。     

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。     

基于分形理论不同装药量的爆破动焦散线实验研究

为研究装药量对爆生裂纹扩展行为的影响。采用透射式数字激光动态焦散线实验系统,分析了不同装药量的爆生裂纹扩展规律,并基于计盒维数的计算原理,编写MATLAB程序计算爆生裂纹的分形维数。结果表明:①起爆后裂纹扩展分2阶段,Ⅰ阶段(0～114.3μs)为爆炸应力波与爆生气体对裂纹尖端的作用,在裂纹的起裂时刻扩展速度达到峰值,随即迅速降低;Ⅱ阶段(114.3μs～裂纹止裂)在反射应力波对裂纹尖端的作用下,裂纹扩展速度继续提升;②裂纹扩展速度峰值、动态应力强度因子峰值、粉碎区面积、爆生裂纹分形维数与装药量正相关;③采用回归分析与线性拟合的方法,得到了裂纹扩展速度与裂纹扩展轨迹分形维数的线性关系,同一裂纹扩展速度的变化符合分形规律。     

爆炸荷载下反向弧形裂纹扩展规律的实验研究

为了研究爆炸荷载作用下预制反向弧形裂纹的动态断裂特性,采用数字激光动态焦散线实像-虚像综合实验系统分析爆炸应力波作用下和斜入射爆生运动裂纹作用下预制弧形裂纹尖端实像和虚像焦散斑变化特征、预制弧形裂纹尖端应力强度因子变化特征以及爆生裂纹与翼裂纹运动扩展特征。结果表明：通过实像光路和虚像光路可以定量分析裂纹尖端拉剪应力和压剪应力的动态变化过程,从而获得爆炸荷载与预制弧形裂纹作用的全过程;爆生主、次裂纹能量具有大小之分,且其动态应力强度因子变化趋势具有一致性;定向爆生运动裂纹与预制弧形裂纹贯通位置是造成预制弧形裂纹上下端点应力强度因子差异性的主要原因。     

深部岩体中切槽爆破机理实验分析

深部岩体爆破致裂是初始应力场和爆炸动态载荷叠加作用结果,采用动静组合加载试验装置和焦散线实验系统,在PMMA模型试件中施加初始静态应力场和爆炸动态载荷,探讨炮孔切槽与水平方向成不同角度(0°,45°和90°)下,初始应力场对爆生裂纹扩展规律的影响效应。实验结果表明:①初始压应力场中,切槽孔的存在改变了圆形炮孔周边应力集中;②0°角时,初始应力场降低了裂纹尖端应力集中,抑制裂纹的扩展,且应力越大,抑制效应越明显,但不改变爆生裂纹的扩展方向;③45°角时,初始应力场改变了裂纹扩展模式,由Ⅰ型断裂向混合型转变,随着应力越大,Ⅱ型断裂越明显,且裂纹向最大主应力方向偏转;④90°角时,初始应力场提高了裂纹尖端应力集中,促进裂纹的扩展,且应力越大,促进效应越明显,不改变爆生裂纹的扩展方向。研究结果为深部岩体中开展切槽爆破技术提供理论指导。     

地应力对岩石爆破开裂及爆炸地震波的影响研究

深部岩体爆破开挖是高地应力和炸药爆炸产生的动应力共同作用的结果。采用SPH-FEM耦合数值模拟方法,研究了地应力场对岩石爆破开裂及开裂区外地震波能量的影响。结果表明:随着地应力水平的提高,岩石爆破破碎区的范围缩小、裂纹扩展速度降低,非静水地应力场中破碎区内裂纹主要沿最大主应力方向扩展,但地应力对爆破粉碎区的形成几乎没有影响;地应力作用下爆破开裂区形态改变影响了爆炸地震波的能量及传播特性,随着地应力的增大,更多的炸药爆炸能转化为地震波能量,产生的高频地震波随距离衰减更快,且小主应力方向上的爆炸地震波能量更大。研究成果可为深部岩体爆破优化设计提供理论参考。     

拉—拉疲劳下15MnMoVN多裂纹扩展研究

为分析单裂纹或多裂纹在裂纹面承受疲劳拉伸载荷作用下尖端应力强度因子变化规律和裂纹形貌变化以及疲劳寿命情况,以含不同初始长深比的半椭圆单裂纹或双裂纹的薄片试样为研究对象,对试样在应力比R=0.1的疲劳拉伸载荷下单裂纹或双裂纹情况进行了仿真分析。建立含裂纹试样的有限元模型,仿真分析了裂纹在扩展过程中尖端应力强度因子的分布情况,并将单裂纹扩展结果与双裂纹相互作用影响下的结果进行了对比研究;进行含裂纹试样的疲劳实验,分析了含单裂纹或双裂纹的试样的断裂面的形成原因,并验证仿真结果正确性。结果表明,裂纹面之间的相互作用会逐渐影响裂纹的扩展方向、扩展速率以及在扩展过程中尖端应力强度因子的变化趋势;而且初始形貌为半椭圆形的双裂纹在相互作用影响下会逐渐过渡到半圆形。     

Dynamic fracture mechanics analysis of failure mode transitions along weakened interfaces in elastic solids

Dynamic fracture mechanics theory was employed to analyze the crack deflection behavior of dynamic mode-I cracks propagating towards inclined weak planes/interfaces in otherwise homogenous elastic solids. When the incident mode-I crack reached the weak interface, it kinked out of its original plane and continued to propagate along the weak interface. The dynamic stress intensity factors and the non-singular T-stresses of the incident cracks were fitted, and then dynamic fracture mechanics concepts were used to obtain the stress intensity factors of the kinked cracks as functions of kinking angles and crack tip speeds. The T-stress of the incident crack has a small positive value but the crack path was quite stable. In order to validate fracture mechanics predictions, the theoretical photoelasticity fringe patterns of the kinked cracks were compared with the recorded experimental fringes. Moreover, the mode mixity of the kinked crack was found to depend on the kinking angle and the crack tip speed. A weak interface will lead to a high mode-II component and a fast crack tip speed of the kinked mixed-mode crack.     

Secondary afterfailure fractures due to transversely reflected waves

The method of caustics was employed to study dynamic crack propagation and after failure fracture in PMMA plates containing an almost longitudinal internal crack, forming a small angle with the loading axis. In order to initiate fracture a high strength longitudinal stress pulse was applied producing two symmetric transverse crack branches running under mode-I deformation with very high velocities. After complete fracture of the plate, the re-entrant corners between the initial slant crack and the two transverse crack branches become centers of emanation of new cracks under the influence of the transversely reflected stress pulses created during the rupture of the longitudinal boundaries. The secondary crack branches are strongly curved, propagate under mixed-mode conditions and arrest. During a third step of fracture the arrested secondary branches accelerate again forming new mixed-mode cracks, which are curved, zig-zaged and presenting sometimes local branchings.     

Dynamic fracture mechanics—A scientific tool for the prevention of catastrophic failure

The major area of research in dynamic fracture has been the extension of the concept of static fracture toughness to predict crack arrest for a propagating crack. In this work crack propagation due to a ductile (microvoid) mechanism and cleavage (brittle) mechanism, as well as transition from one mode to another, has been analysed theoretically. Dynamic fracture toughness as a function of crack velocity has been determined. Temperature distribution near a propagating crack tip has been predicted for plane stress condition. The effect of reflected stress wave in a single edge notch specimen under transient crack growth conditions has also been analysed.     

定向断裂控制爆破爆生裂纹扩展机理的实验研究

采用新型数字激光动态焦散线实验系统,对缺陷介质双孔定向断裂控制爆破裂纹扩展的动态行为进行了研究。结果表明,预制斜裂纹阻断了爆生主裂纹的扩展,最终两条主裂纹分别与翼裂纹形成相互勾连的形状。爆生主裂纹尖端以张拉应力场为主,其断裂为近似I型断裂。当爆生主裂纹运动到预制裂纹附近时,主裂纹端部应力场与预制裂纹尖端奇异应力场相互叠加,在预制裂纹尖端形成较强的拉剪应力场,且受已有主裂纹面的影响,预制裂纹扩展表现为弯向主裂纹面的弯曲断裂。研究结果可为含节理岩体定向断裂控制爆破提供理论依据。     

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。