SHPB动态巴西劈裂裂纹起裂及扩展研究

利用中南大学SHPB试验系统,对冬瓜山铜矿深部采集的大理岩进行了动态劈裂实验。结合高速摄影技术和在试样上粘贴一系列的应变片开展动态劈裂时试样裂纹起裂及扩展研究。结果显示,高速摄影可以清晰地看出试样的破坏全过程,简便直观。应变片可以记录加载直径上各点的应变时程曲线,从应变曲线上可以看出,试样的破坏并不一定从中心开始,当试样存在损伤或是弱面时,可能从损伤的部分开始起裂。裂纹扩展的速率大约是其P波波速的一半左右。高速摄影可以清楚地看出试样的整个破坏过程,但是成本较高,不能直接得到加载直径上各点的应变历程和破坏时间。在试样上粘贴一系列的应变片简单易行,成本较低,而且可以捕捉试样上各点的应变历程和破坏时间。     

基于颗粒流的带中心孔巴西圆盘试样裂纹扩展分析

为研究带中心孔巴西圆盘的劈裂过程,利用颗粒流法分析不同孔径的带中心孔巴西圆盘的裂纹扩展规律和机理。结果表明,不同孔径的巴西圆盘断裂模式有一定差异,主裂纹均从孔洞在加载方向的两端萌生并沿加载方向扩展。当中心孔径较小时,次生裂纹从加载点附近萌生并与主裂纹发生连通作用,圆盘试样破裂分成两半;当中心孔径较大时,次生裂纹从加载点的一侧萌生并向中心孔方向扩展,圆盘试样劈裂成4块。带中心孔巴西圆盘的劈裂过程可分为弹性变形阶段、主裂纹的萌生和稳定扩展阶段、主裂纹的扩展失稳阶段和次生裂纹扩展失稳阶段等4个阶段。从应力场角度来看,巴西圆盘的劈裂过程是拉应力集中区不断转移并产生新的微拉裂纹,大量微裂纹萌生、扩展和贯通形成宏观裂隙的过程。从能量角度来看,巴西圆盘的劈裂破坏过程是岩石从受荷初期应变能不断积累,到达峰值强度后应变能瞬时释放并伴随耗散能急剧增加的过程。     

高温后大理岩动态劈裂试样的破坏应变

巴西圆盘是用于测定大理岩等脆性材料拉伸性质的一种常用试样,为了研究温度对岩石在动态拉伸条件下破坏应变的影响规律,利用直径100 mm的分离式Hopkinson压杆对一系列大理岩巴西圆盘进行了动态劈裂试验,通过粘贴在试样中心处的应变片,得到了不同类型的试样在不同应变率下的破坏应变.结果表明,随着应变率的增加,破坏应变随之增加,但是没有经过高温处理(A类)和经过50 ℃恒温处理(50A类)岩石的增幅比较缓慢,经过100 ℃恒温处理(100A类)岩石的增幅则比较明显,且显著大于A类和50A类岩石;岩石在经过50 ℃恒温处理后,其破坏应变随应变率的变化关系与没有经过温度处理的岩石非常一致,而岩石在经过100 ℃恒温处理后,其破坏应变显著高于没有经过高温处理或者50 ℃恒温处理的岩石;随着弹速的增加,岩石的破坏应变和应变率都在逐渐增加,在弹速比较接近的情况下,经过100 ℃恒温处理后的岩石的破坏应变和应变率都要高于经过50 ℃恒温处理后的岩石,而且随着弹速的增加其差值也在逐渐增大.     

基于3D-ILC含60°平行双内裂纹脆性巴西圆盘断裂特性

裂纹间的相互作用是断裂力学的重要研究内容,但针对三维内裂纹的扩展规律以及相互作用的研究较少。基于3D-ILC技术,在完整巴西圆盘内部制作平行双内裂纹,开展含60°双内裂纹单轴压缩试验,记录裂纹扩展过程,得到裂纹起裂及破坏荷载,分析双内裂纹相互作用下的应力双折射规律、裂纹扩展形态及断口特征。基于M积分及应变能密度因子理论进行数值模拟,揭示KⅠ,KⅡ,KⅢ分布规律,实现双内裂纹扩展路径及平行裂纹相互作用模拟,并与试验进行对比。结果表明：(1)基于3D-ILC的平行双内裂纹扩展破坏试验规律显著,证明了该技术在多内裂纹相互作用试验研究中的适用性得到证明;(2)试样裂纹形态主要有上翼裂纹、下翼裂纹、竖直裂纹及贯穿型裂纹,翼裂纹断口光滑区为I-II型复合裂纹,裂纹侧面为I-II-III型复合裂纹,呈现矛状断口;(3)含60°双内裂纹试样破坏荷载为完整试样的17.73%,内裂纹扩展速度与加载力为非线性关系;(4)双内裂纹尖端之间存在屏蔽作用,使扩展呈现明显反对称的裂纹形态;(5)基于M积分的K分布及基于应变能密度因子理论裂纹扩展路径与试验规律一致。结果为三维内裂纹I-II-III型复合断裂及多裂纹相互作用研究提供了物理试验及数值模拟参考。     

基于3D-ILC含60°平行双内裂纹脆性巴西圆盘断裂特性

裂纹间的相互作用是断裂力学的重要研究内容,但针对3维内裂纹的扩展规律及相互作用的研究较少。基于3D-ILC技术,在完整巴西圆盘内部制作平行双内裂纹,开展含60°双内裂纹单轴压缩试验,记录裂纹扩展过程,得到裂纹起裂及破坏荷载,分析双内裂纹相互作用下的应力双折射规律、裂纹扩展形态及断口特征。基于M积分及应变能密度因子理论进行数值模拟,揭示K_Ⅰ、K_Ⅱ、K_Ⅲ的分布规律,实现双内裂纹扩展路径及平行裂纹相互作用模拟,并与试验进行对比。结果表明:1)基于3D-ILC的平行双内裂纹扩展破坏试验规律显著,证明了该技术在多内裂纹相互作用试验研究中的适用性;2)试样裂纹形态主要有上翼裂纹、下翼裂纹、竖直裂纹及贯穿型裂纹,翼裂纹断口光滑区为Ⅰ–Ⅱ型复合裂纹,裂纹侧面为Ⅰ–Ⅱ–Ⅲ型复合裂纹,呈现矛状断口;3)含60°双内裂纹试样破坏荷载为完整试样的17.73%,内裂纹扩展速度与加载力为非线性关系;4)双内裂纹尖端之间存在屏蔽作用,使扩展呈现明显反对称的裂纹形态;5)基于M积分的K分布及基于应变能密度因子理论裂纹扩展路径与试验规律一致。结果为3维内裂纹Ⅰ–Ⅱ–Ⅲ型复合断裂及多裂纹相互作用研究提供了物理试验及数值模拟参考。     

C75混凝土动态劈裂行为试验与数值模拟分析

为研究C75混凝土动态抗拉强度特性和应变率效应,采用大直径霍普金森压杆,对其开展动态劈裂试验,并对试样中应力平衡进行检验,同时,基于ANSYS/LS-DYNA软件数值模拟混凝土的动态劈裂破坏过程.采用MATLAB将劈裂强度公式中的圆盘内部应力等值线进行可视化,基于修正的Griffith准则对巴西圆盘中心起裂现象进行理论分析.结果表明:在10⁰~10¹/s应变率范围内,混凝土劈裂强度与应变率对数基本呈现线性增长关系;在较低弹速下试件表现为沿径向对称破裂,随着弹速的增加,试样两端出现明显的三角形破碎区域,且靠近入射端破碎较严重;二维受力状态下,巴西圆盘试样的最大与最小主应力之比(σ₁/σ₃)等值线近似呈封闭的菱形,其比值在圆盘的中心处达到最大值-3.0;考虑应变率效应的Cowper-Symonds黏塑性本构能够较好地表征C75混凝土的动力学行为,其模拟的试样破坏过程与采用高速摄影技术观测到的结果吻合度较高;C75混凝土的抗拉特性明显优于同样水灰比下的C35混凝土,但其应变率敏感性要比C30土工聚合物混凝土低.     

基于SCSCC试样的岩石复合型裂纹动态扩展特征研究

侧开单裂纹半孔板（single cleavage semi circle compression —SCSCC）试样是一种改进后的矩形板试样,本文采用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置进行了冲击实验,完成了SCSCC试样纯I型及I-II复合型裂纹动态断裂实验,并针对实验进行了数值分析,研究了其扩展路径及扩展过程中的止裂问题。结果表明：1）SCSCC试件在实验过程中,纯I型裂纹扩展过程中尖端沿着原方向朝试件右侧移动,I-II复合型裂纹扩展过程中朝着试件中轴线方向（最大应力区）移动,且可以观察到止裂现象;应变片法是一种监测断裂时刻的有效方法。2）使用修正的最大主应力准则及引入能量释放率的拉伸断裂软化损伤（crack softening -CS）破坏准则可以有效解决岩石类材料的动态破坏问题,且可以描述材料全应力-应变破坏过程;3）I-II复合型裂纹SCSCC试件构型在研究岩石裂纹止裂领域具有较大优势。且SCSCC构型是一种大尺寸试样,可以减小岩石非均匀性带来的影响。     

微胶囊-纤维水泥基复合材料动态劈裂拉伸性能研究

采用 Φ120 mm分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Press Bar,SHPB)试验装置进行巴西圆盘劈裂试验,研究在应变率范围0.96～30.30 s-1微胶囊-纤维水泥基复合材料的应变率敏感性和破坏规律.试验结果表明,水泥基复合材料具有明显的应变率效应,其劈裂抗拉强度随着应变率的增加而提高,掺入聚乙烯醇(P V A)-聚乙烯(P E)混杂纤维时水泥基复合材料劈裂抗拉强度最高.在动态荷载作用下,掺入纤维不仅能有效抑制基体微裂纹的萌生和降低扩展速度,而且能改善微胶囊自修复混凝土的抗冲击韧性.     

山西晋中马兰黄土劈裂特性及抗拉强度研究

为研究干燥黄土巴西劈裂试验的稳定性和有效性,本文从试样的劈裂特征、荷载-变形关系、抗拉强度与干密度的关系、直接拉伸与巴西劈裂抗拉强度等方面开展了原状与重塑马兰黄土的巴西劈裂试验研究.结果表明:试样破坏分为不同破坏类型,它们对试验结果影响不同,偏离直径裂纹的出现会使试样结果偏小;剔除破坏类型对抗拉强度影响较大的试验结果后...     

裂纹动态扩展速度的试验研究

本文采用导电涂料制作格线的方法对环氧树脂三点弯曲试样和圆柱缸筒试样的裂纹动态扩展速度进行了试验研究,找出加载速度与裂纹起始载荷、裂纹扩展速度三者之间的关系,并对断口形貌进行了分析。     

Dynamic tensile behaviour and crack propagation of coal under coupled static-dynamic loading

The fracture behaviour and crack propagation features of coal under coupled static-dynamic loading conditions are important when evaluating the dynamic failure of coal. In this study, coupled static-dynamic loading tests are conducted on Brazilian disc(BD) coal specimens using a modified split Hopkinson pressure bar(SHPB). The effects of the static axial pre-stress and loading rate on the dynamic tensile strength and crack propagation characteristics of BD coal specimens are studied. The average dynamic indirect tensile strength of coal specimens increases first and then decreases with the static axial pre-stress increasing. When no static axial pre-stress is applied, or the static axial pre-stress is 30% of the static tensile strength, the dynamic indirect tensile strength of coal specimens shows an increase trend as the loading rate increases. When the static axial pre-stress is 60% of the static tensile strength, the dynamic indirect tensile strength shows a fluctuant trend as the loading rate increases. According to the crack propagation process of coal specimens recorded by high-speed camera, the impact velocity influences the mode of crack propagation, while the static axial pre-stress influences the direction of crack propagation. The failure of coal specimens is a coupled tensile-shear failure under high impact velocity.When there is no static axial pre-stress, tensile cracks occur in the vertical loading direction. When the static axial pre-stress is applied, the number of cracks perpendicular to the loading direction decreases,and more cracks occur in the parallel loading direction.     

应力波加载条件下 907A钢-20℃时的动态断裂与止裂研究

在应力波加载(SplitHopkinsonPressureBar)条件下,采用动态分析方法对907A钢在-20℃时的裂纹起裂、扩展、止裂全过程进行了研究.实验结果表明在-20℃时,907A钢的动态裂纹扩展过程是一先加速后减速的过程,其最大裂纹扩展速度V     

Dynamic fracture behavior of rock under impact load using the caustics method

We studied the dynamic fracture mechanical behavior of rock under different impact rates. The fracture experiment was a three-point bending beam subjected to different impact loads monitored using the reflected caustics method. The mechanical parameters for fracture of the three-point bending beam specimen under impact load are analyzed. The mechanism of crack propagation is discussed. Experimental results show that the dynamic stress intensity factor increases before crack initiation. When the dynamic stress intensity factor reaches its maximum value the crack starts to develop. After crack initiation the dynamic stress intensity factor decreases rapidly and oscillates. As the impact rate increases the cracks initiate earlier, the maximum value of crack growth velocity becomes smaller and the values of dynamic stress intensity factor also vary less during crack propagation. The results provide a theoretical basis for the study of rock dynamic fracture.     

Influences of Stress Wave Propagation upon Studying Dynamic Response of Materials at High Strain Rates

How the wave propagation analysis plays a key role in the studies of dynamic response of materials at high strain rates is analyzed. For the wave propagation technique, the followings are important: the loading and unloading constitutive relation presumed, the positions of the sensors embedded, the interactions between loading waves and unloading waves. For the split Hopkinson pressure bar (SI-IPB) technique, the assumption of one-dimensional stress wave propagation and the assumption of stress uniformity along the specimen should be satisfied. When the larger diameter bars are employed, the wave dispersion effects should be considered, including the high frequency oscillations, non-uniform stress distribution across the bar section, increase of rise time, and amplitude attenuation. The stress uniformity along the specimen is influenced by the reflection times in specimen, the wave impedance ratio of the specimen and the bar, and the waveform.     

Impact Failure of Flattened Brazilian Disc with Cracks——Process and Mechanism

Split Hopkinson pressure bar (SHPB) has been used to study the dynamic failure pattern of flattened mortar Brazilian disc under impact load.Each disc contains several prefabricated cracks paralleled to each other.Dynamic FEM has also been adopted to simulate such failure behavior.The mechanism of crack initiation,propagation and cut-through have been scrutinized with both experimental and numerical approaches.Influence of the number of the prefabricated cracks on the specimen strength and acoustic emission (AE) performance can be observed and studied.The results show that the strength decreases and AE counts increases,when the number of the prefabricated cracks increases.     

波纹钢腹板组合箱梁常幅疲劳性能试验研究

波纹钢腹板组合箱梁结构以波纹钢腹板代替传统的混凝土腹板,实现了主梁的轻型化。针对波纹钢腹板组合箱梁的破坏机理,研究了2根波纹钢腹板组合箱梁的静力和疲劳性能。记录了试验中裂纹萌生、扩展的全过程,分析了试件破坏模式、承载力、荷载-挠度曲线、荷载-应变曲线,并通过材料力学公式对100 kN时梁挠度进行计算。结果表明：箱梁破坏时纵向裂纹萌生于混凝土底板,纵向贯通拉裂后,波纹钢腹板与底板之间产生纵向滑移,混凝土销剪切错动破坏。实际工程中应对混凝土底板进行FRP加固或设置预应力筋减缓裂纹萌生以及扩展;箱梁具有很好的疲劳耐久性,疲劳试验中裂纹扩展缓慢,当P_max为静力试验承载力的50 %时,疲劳寿命超过6×10⁶周次;箱梁受力符合拟平截面假定,混凝土顶底板主要承受弯矩,波纹钢腹板主要承受剪力。挠度计算结果略小于试验值,属于偏安全计算,误差原因主要是未考虑波纹钢腹板剪切变形对梁挠度影响。     

水-温循环作用下千枚岩的动态拉伸特性

为研究水-温耦合作用下0°层理倾角千枚岩的动态拉伸特性变化规律,分别对3组试样进行0、1、3、5、7、8、11次温度循环自然降温、温度循环冷水降温、干湿循环后,采用霍普金森杆试验装置对0°层理倾角千枚岩试样开展动态巴西劈裂试验,从动态拉伸应变曲线、动态峰值抗拉强度、动态弹性模量、能量分析与宏观破坏5个角度研究水、温劣化条件下千枚岩的动态拉伸特性。结果表明：千枚岩应力应变曲线包括极速弹性变形阶段、屈服变形阶段、破坏变形阶段;随着水-温循环次数的增加,千枚岩应力-应变曲线极速弹性变形阶段逐渐缩短,屈服变形阶段的应变增长率不断增大;千枚岩动态峰值抗拉强度呈负指数函数关系变化,耗散能比不断减小;水-温耦合条件下,千枚岩峰值抗拉强度、耗散能比普遍小于温度循环自然降温时;动态冲击下,千枚岩发生贯穿层理的张拉破坏,主要破碎为2块;随着水-温循环次数的增加,千枚岩主碎块发生沿层理面的张拉与穿层理面的剪切复合破坏,千枚岩碎块的平均尺寸不断减小;温度循环冷水降温条件下,千枚岩碎块的平均尺寸更小,且降幅最为显著。     

Experimental and numerical investigations on the tensile mechanical behavior of marbles containing dynamic damage

To investigate the degradation mechanism of static tensile mechanical behaviors of marble containing dynamic damage, multiple impact loading tests were performed on the disc marble samples, and then static Brazilian tests were conducted for the damaged samples. Besides, coupling modeling technology of finite difference method (FDM)—discrete element method (DEM) was used to carry out the numerical investigation. The results show that after multiple impacts, more white patches appear on the surface, and some microcracks, macro-fractures as well as pulverized grains are found by optical microscopic. The static tensile strength decreases with the increase of the dynamic damage variable characterized by the ultrasonic wave velocity of sample. The interaction between grains in the damaged sample becomes intense in the subsequent static loading process, causing a relatively large strain. The volume of the fragments falling off around the loading points becomes larger as impact number increases. As the dynamic damage increases, the absorbed energy of sample during the static loading first decreases and then tends to be stable. Both the stress concentration and the breakage of the force chains are the root causes of the degradation of the static tensile strength.     

玻璃动疲劳性能研究

本文通过四荷载V氏压痕玻璃方板,在空气中利用四种加载速率的同轴双环弯曲动疲劳试验,发现玻璃强度与加载速率成正比例关系,并得出结论:高强度区的破坏是由尖裂纹萌生造成的;低强度区的破坏是由亚临界裂纹扩展所致。根据试验结果,利用自编的多项式曲线拟合程序,求得破坏荷载及破坏时间的Weibull分布模数m。利用动疲劳强度与加载速率的关系,求得裂纹扩展参数n,并评价了玻璃使用的可靠性问题。     

磷块岩三轴压缩破坏特性与声发射规律的研究

采用应力加载系统和声发射测试系统,研究了三轴压缩试验中磷块岩裂纹破坏特性及声发射活动规律. 试验及分析研究表明:磷块岩三轴声发射加载全过程可分为裂隙压密阶段、弹性压缩阶段、裂纹初级扩展阶段、裂纹剧烈扩展阶段、宏观破坏阶段;磷块岩声发射事件在其强度最大阶段和宏观破坏阶段均有产生;磷块岩声发射事件数随着围压从2 MPa增加到4 MPa而减少.