爆炸荷载下缺陷介质裂纹扩展规律数值分析研究

利用爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统,同时借助ABAQUS有限元分析中内聚力模型数值计算方法,研究了爆炸应力波作用下缺陷介质裂纹扩展规律,并将试验结果与数值计算结果进行了对比。研究表明:在爆炸应力波作用下预制缺陷两端产生了两条翼裂纹A、B,扩展长度基本相同,方向垂直于预制缺陷。两条翼裂纹的扩展基本是对称的,只是在尾端发生轻微翘曲;翼裂纹扩展速度先增大至峰值又振荡减小,之后又增大至第二个较小的峰值,然后又减小,这种变化趋势和裂纹尖端应力强度因子KⅠ保持一致;扩展角β为85°时,计算结果较为接近试验,内聚力模型为动态裂纹扩展的研究提供了一种有效的方法。     

爆炸载荷作用下静裂纹对运动裂纹扩展影响的实验研究

采用数字激光动态焦散线实验系统,研究爆炸载荷下静裂纹与动裂纹相互作用的影响规律。结果表明:在爆炸载荷作用下,动裂纹与静裂纹贯通,随着预制裂纹起裂点与静裂纹间距L的增大,翼裂纹平均扩展长度逐渐减小,L增大到一定值时,翼裂纹无法起裂;动裂纹的扩展速度和动态应力强度因子在接近静裂纹时呈现出减小的趋势,由于动裂纹尖端应力场的影响,静裂纹两端出现明显的焦散斑;随着间距L的增大,翼裂纹的扩展速度和应力强度因子逐渐减小;翼裂纹扩展过程中的动态特性随间距L的改变表现出明显的差异性,间距L增大,翼裂纹的扩展速度峰值和动态应力强度因子峰值减小。     

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。     

冲击作用下静止裂纹与运动裂纹相互作用的试验研究

为了研究静止裂纹与运动裂纹相互作用机制,采用数字激光动焦散系统进行了含不同长度预制裂纹的冲击试验。试验结果表明:竖向主裂纹起裂时的应力强度因子和起裂时间均随水平主裂纹长度增加逐渐减小,水平主裂纹长度越长竖向主裂纹更易起裂;竖向主裂纹朝水平主裂纹扩展阶段,其翼裂纹的应力强度因子均值和扩展速度峰值、均值均随着水平主裂纹长度增加而降低;翼裂纹与水平主裂纹汇聚后,在水平主裂纹停滞的时间和水平主裂纹起裂时的应力强度因子均随着水平主裂纹长度增加呈现先减小后增大趋势。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

单向静压下柱状炮孔端部爆生裂纹的扩展规律

高地应力对岩层地下工程爆破动态断裂过程有重要影响。采用数字激光动态焦散线测试系统,研究了不同单向静压下柱状炮孔端部爆生裂纹动态断裂行为,明确了柱状炮孔端部爆生裂纹的扩展规律。结果表明:单向静压越大,端部裂纹平均扩展长度越短,但单向静压下端部裂纹尖端积聚能量的快速释放会导致裂纹初始扩展速度提升;裂纹尖端应力强度因子基本随单向静压增加而递减,单向静压越大,应力强度因子随时间下降越剧烈,裂纹的止裂韧度越高,止裂时间越早;单向静压作用下的爆生裂纹在整个扩展阶段基本表现为I型裂纹,无静压作用下爆生裂纹在扩展初期表现为I型裂纹,中后期表现为复合型裂纹。研究结果对认识静压作用下的柱状炮孔端部破坏机理具有一定意义。     

Experimental study of crack propagation in polymethyl methacrylate material with double holes under the directional controlled blasting

The crack propagation behaviours of polymethyl methacrylate material with double holes under the directional controlled blasting are studied using dynamic caustic method. A series of dynamic caustic patterns at the propagating crack tip under the explosive loading are recorded using the digital high‐speed camera. Some important dynamic fracture characterizations and parameters about two main cracks are determined including the crack path, the propagating speed and the crack tip stress intensity factors. The fracture mechanisms of the double blasting holes are analysed. The results provide the important experimental basis for evaluating and designing the directional controlled blasting for the rock tunnel and the rock face excavation.     

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。     

An experimental investigation into dynamic fracture: III. On steady-state crack propagation and crack branching

This is the third in a series of four papers in which problems of dynamic crack propagation are examined experimentally in large, thin sheets of Homalite-100 such that crack growth in an unbounded plate is simulated. In the first paper crack initiation resulting from stress wave loading to the crack tip as well as crack arrest were reported. It was found that for increasing rates of loading in the microsecond range the stress intensity required for initiation rises markedly. Crack arrest occurs abruptly without any deceleration phase at a stress intensity lower than that which causes initiation under quasi-static loading.In the second paper we analyze the occurrence of micro cracks at the front of the running main crack which control the rate of crack growth. The micro cracks are recorded by real time photography. By the same means it is shown that these micro cracks grow and turn away smoothly from the direction of the main crack in the process of branching.In the present paper we report results on crack propagation and branching. It is found that crack propagation occurs at a constant velocity although the stress intensity factor changes markedly. Furthermore, the velocity is determined by the stress wave induced intensity factor at initiation. The terminal velocity in Homalite-100 was found to be about half the Rayleigh wave speed (0.45 C _r ). These observations are analyzed in terms of a microcrack model alluded to in the second paper of this series. A mechanism for crack branching is proposed which considers branching to be a natural evolution from a cloud of microcracks that accompany and lead the main crack. These results are believed to apply to quasi-brittle materials other than Homalite-100 and the reasons for this belief are discussed briefly in the first paper of this series.In the final paper of the series the effect of stress waves impinging on the tip of a rapidly moving crack is examined. Waves affect the velocity and the direction of propagation as well as the process of crack branching.     

Dynamic initiation and propagation behaviour of sub-interfacial cracks in PMMA/aluminium bi-material system

The paper describes studies on the dynamic initiation and growth of sub‐interfacial cracks in a PMMA/aluminium bi‐material system using high‐speed photography combined with the method of caustics. Dynamic fracture phenomena such as crack propagation trajectories, crack velocity, phase angle and stress intensity factor were determined from recordings of a series of dynamic caustic patterns surrounding the propagating sub‐interfacial crack tip.. There is a considerable influence of the distance between the interface and the crack on fracture characterization.     

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。     

爆炸载荷下边界锐V型切口尖端裂纹扩展行为

为了研究爆炸应力波作用下板条边界锐V型切口端部的动态扩展行为,采用动态焦散线实验方法,进行了爆炸载荷下板条边界锐V型切口端部裂纹扩展规律的实验研究。研究结果表明,爆炸应力波作用下,板条试件边界锐V型切口端部的扩展过程中,裂纹扩展速度、加速度和切口端部动态应力强度因子随时间是波动变化的。扩展速度最大值达到210m/s,裂纹扩展加速度最大值为9.47Mm/s2,切口端部动态应力强度因子KdⅠ最大值为0.6MN/m3/2。