冲击载荷作用下岩石Ⅰ型裂纹动态断裂试验研究

以可调速落锤冲击试验机作为试验加载装置,采用数字散斑相关方法作为试验的观测手段,通过搭建高速数据采集系统,对岩石Ⅰ型裂纹在冲击载荷作用下的动态断裂进行试验研究。试验研究了冲击载荷作用下岩石Ⅰ型裂纹扩展过程位移场的演化特征;分析了岩石在冲击加载速度下裂纹扩展速度以及裂纹扩展距离随时间的变化规律;定量得到了岩石Ⅰ型裂纹动态断裂的裂纹张开角;同时开展了不同冲击加载速度下岩石Ⅰ型裂纹扩展速度的关系研究,研究结果表明,在试验所进行的中低速冲击加载情况下,裂纹扩展速度随着冲击速度的增加而增加,近似呈线性关系。     

超强钢18Ni(250)的剪切断裂韧性行为

针对马氏体时效钢18Ni(250)在动态拉伸和不同速度泰勒杆冲击下呈现剪切断裂破坏的特征,为了理解其剪切及Ⅱ型断裂韧性在复合型断裂中所起到的作用,借助Hopkinson拉杆装置,对18Ni(250)进行了高加载率下的复合受力试验。并根据该材料在不同加载率下剪切断裂模式的特征,重点对该材料进行了不同加载率下的Ⅱ型动态断裂韧性试验研究。结果表明:随着加载率的提高,18Ni(250)钢的起裂时间逐渐减小,但其Ⅱ型动态断裂韧性值不断增大;通过SEM微观分析发现,在不同加载率下18Ni(250)钢Ⅱ型动态断裂呈现以晶面滑移为主的绝热剪切特性。     

用裂纹扩展片测量SFRC的静,动态裂纹扩展

本文用箔式裂纹扩展片测试，研究了钢纤维增强砼三点弯曲切口梁试件在蠕变断裂和动态断裂时的裂纹扩展，分别得到了裂纹扩展量与时间，裂纹扩展量与加载点位移及动态裂纹扩展速度与应变率的关系，根据实验结果分析了ＳＦＲＣ的静，动态裂纹展规律。     

壁厚对HR2钢柱壳爆轰加载下膨胀断裂行为的影响

通过对6、12 mm两种不同壁厚的HR2钢柱壳进行爆轰加载实验,对其断裂碎片的宏观形貌、断口的微观形貌以及横截面的变形微观结构进行系统表征,研究了金属柱壳在爆轰加载下的膨胀断裂机理。结果表明,在膨胀断裂过程中壳壁厚度的增大导致HR2钢柱壳由纯剪切断裂变为拉剪混合的断裂模式。断裂碎片的微观结构分析结果表明,柱壳的断裂实际上是剪切裂纹从样品内部剪切带形核并扩展、和拉伸裂纹沿柱壳外表面的形核扩展的共同作用及竞争的结果。薄壁柱壳断裂由样品内裂纹沿剪切带的形核和扩展主导发生剪切断裂,而厚壁柱壳中内侧的裂纹沿剪切带的形核和扩展,但是最外侧则为环向拉应力主导发生拉伸断裂,因此表现出拉剪结合的断裂模式。     

弹性地基上的4ENF试件柔度分析

基于Timoshenko梁理论,考虑了剪切变形和裂纹尖端变形的影响,建立了双参数弹性地基上的II型加载末端切口四点弯曲试件(4-point bending end-notched flexure specimen,简称4ENF)的柔度和能量释放率模型(BEF)。4ENF柔度与裂纹长度成正比,柔度变化率、能量释放率与裂纹长度无关,因而4ENFII型断裂实验无需测量裂纹的扩展长度,根据临界荷载便可求得临界能量释放率,从而大大简化了实验手段。对FRP-木4ENF试件II型加载情况下的BEF模型、Timoshenko梁理论模型和有限元结果比较证明:BEF模型的4ENF柔度在裂纹扩展的一定范围内与有限元吻合很好;而Timoshenko梁理论模型的柔度小于有限元结果,精度较差。该模型可用于复合材料界面断裂分析、确定断裂参数以及作为断裂试验数据分析的依据。     

光弹贴片法研究混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝扩展过程

该文采用光弹贴片方法对最大尺寸为2500mm×600mm×200mm的混凝土四点剪切梁,Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝起裂、稳定扩展直至失稳破坏全过程进行了系统的研究,通过照相机拍摄光弹贴片所显示的裂缝扩展全过程,得到了混凝土裂缝稳定扩展阶段完整而直观的观测结果。根据光弹贴片所显示的彩色条纹序列,测得了四点剪切荷载作用下裂缝尖端附近主应变场分布,得到了荷载-裂缝扩展量曲线。根据光弹贴片所观察的裂缝扩展长度?a,借助有限元计算了裂缝扩展过程中尖端应力强度因子的变化,并模拟断裂过程。结果表明,对于混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂,裂缝在失稳扩展前存在着明显的亚临界扩展,采用光弹贴片方法可有效地记录这一过程,而以往不考虑裂缝扩展量得到的断裂准则是偏于保守的。试验结果还表明,在裂缝起裂后,虽然加载方式仍为Ⅰ-Ⅱ复合型,但断裂类型已由Ⅰ-Ⅱ复合型退化为纯Ⅰ型断裂。     

T应力对Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展的影响

利用最大周向正应力判据MTS重新分析研究了脆性破坏的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展,其中考虑了平行于裂纹方向的非奇异项T应力。以平板中的斜裂纹处于双向受力为研究对象,通过两个方向力的不同组合以及裂纹与受力方向的夹角变换得到包括纯I型和纯II型在内的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,分析了T应力对裂纹扩展方向以及断裂时的应力强度因子的影响,并将预测结果与现有的实验数据进行了比较。在此基础上,给出了不同T应力条件下通用的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展条件,可用于给定几何试件的脆性断裂判定。分析结果表明:裂纹尖端非奇异项T应力对裂纹扩展的影响是不可忽略的,尤其是对II型断裂的影响更为明显。     

空孔-裂纹偏置方式对PMMA冲击断裂动态行为的影响

为研究空孔-裂纹偏置方式对材料冲击断裂行为的影响,以有机玻璃(PMMA)为实验材料,采用动态焦散线实验方法开展了冲击加载的三点弯实验研究。结果表明:在冲击载荷作用下,空孔与预制裂纹相对偏置位置影响裂纹的起裂方向以及裂纹与空孔的贯通。预制裂纹偏置情况下,裂纹起裂时KdⅡ0,起裂方向指向空孔;空孔对运动裂纹的作用效应是吸引,裂纹扩展路径呈抛物线型,并与空孔贯通,在空孔上端裂纹会再次起裂。空孔偏置条件下,裂纹起裂时KdⅡ 0,起裂方向背离空孔;空孔对运动裂纹的作用效应是先排斥后吸引再排斥,裂纹扩展路径呈S型,裂纹未与空孔贯通。当运动裂纹与空孔贯通后,裂纹发生止裂,从时间尺度上延迟了试件的破坏,但当裂纹由空孔上边界处二次起裂后,裂纹扩展速度、动态应力强度因子均相应提高,进而会加剧试件的破坏。     

巷道内Ⅰ型及Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹在冲击载荷作用下的断裂行为分析

研究了巷道内纯Ⅰ型及Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹在冲击载荷作用下的动态扩展特征,预制裂纹位于巷道拱顶圆弧区域与巷道对称轴线平行,并与巷道对称轴线的间距不同。以中低速落锤冲击试验机对砂岩巷道模型试样进行动态冲击加载,巷道内裂纹的起裂时间与扩展特性采用粘贴在裂纹尖端的应变片进行相应的测试分析。采用AUTODYN模拟巷道内裂纹的扩展路径,总体上数值结果与试验结果比较吻合,采用ABAQUS计算裂纹的应力强度因子,结合试验-数值法确定巷道模型内预制裂纹的起裂韧度。研究结果表明:Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹起裂过程中,既有Ⅰ型起裂韧度又有Ⅱ型起裂韧度,其比例大小与裂纹距离巷道对称轴的距离有关;纯Ⅰ型与Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹的扩展行为有很大差别,纯Ⅰ型裂纹起裂沿着原裂纹方向竖直向上扩展,而Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹与原裂纹成一定角度起裂,形成翼型裂纹,最后沿着最大主应力方向进行扩展,并且复合型裂纹在扩展过程中,存在明显的拐点特征。     

木质包装复合材料的宏观断裂模式研究

断裂为构件在力及环境单独或联合作用下,材料本身连续性产生局部或整体的破坏.通常断裂是由裂纹扩展引起.根据复合材料力学和断裂力学原理,分析比较几种不同成分、不同复合形式的木质包装复合材料力学性能及其断口裂纹扩展形式.结果表明,多层实木胶合板材料具有最大的比强度97.01MPa·m3/kg和比模量6123.25MPa·m3/kg;所有测试材料的断口裂纹扩展均属于Ⅰ型张开型裂纹、Ⅱ型滑开型裂纹2种基本形式.     

陶瓷材料破坏的声发射特性

采用先进的多通道声发射系统监测了AD95氧化铝陶瓷在三点弯曲加载下的破坏过程.对有缺口和无缺口两种试件的声发射能量数,事件数,振铃数随时间变化特征的对比分析,讨论了预制缺口对材料损伤破坏过程和断裂的影响.声发射幅值随时间的变化曲线直接反映了材料内微裂纹成核前期,成核,扩展至宏观裂纹形成和断裂过程.实验结果表明,声发射参数可以表征材料的内部损伤演化过程.     

2D-C/ SiC 复合材料的宏观拉压特性和失效模式

通过拉伸、压缩实验, 从宏观上研究了平纹编织C/ SiC 复合材料在简单载荷作用下模量、残余应变及泊松比的变化。通过断口观察, 分析了材料在面内拉、压载荷作用下的损伤与失效模式。实验结果表明, 拉伸载荷作用下, 材料在低应力就开始损伤。0°纤维束表面基体开裂和层间裂纹是主要损伤形式。损伤后, 随着应力增加, 拉伸卸载模量、泊松比线性减小, 残余应变增加; 压缩应力-应变基本呈直线关系, 模量、泊松比基本不变。拉伸破坏表现为韧性断裂, 断裂机理为分层后0°纤维束的断裂、携带90°纤维束拔出; 压缩破坏形成一个与加载方向成13°的断裂平面, 破坏机理为层间裂纹、0°/ 90°纤维束之间裂纹和90°纤维束内裂纹的产生和迅速扩展、最后0°纤维束剪切断裂。      

含边裂纹试样弯曲断裂声发射特征研究

采用类岩石材料研究了含边裂纹试样在三点弯曲加载条件下的裂纹扩展过程，并利用声发射（AE）测试技术分析了含裂隙试样弯拉应力作用过程中预制裂纹萌生、起裂、扩展和断裂破坏的全过程的声发射特征。试验结果表明，声发射的阶段性突发特征反映了张拉裂纹阶段性扩展的规律，但边裂纹的拉破裂特征不同于压剪应力作用下的声发射特征。预制裂纹在拉破裂过程中的声发射特征表现为AE数的渐进增长、快速增长、突发式增长和逐渐下降4个阶段。声发射源的带状分布规律表明，在弯拉应力作用下，裂隙的张性断裂不是孤立的，而是有若干个小断裂面聚集而成宏观断裂，探讨了预制裂隙受拉破坏的内在机理。     

Ⅱ型加载条件下疲劳裂纹扩展试验研究

对４种金属材料在Ⅱ型加载条件下的疲劳裂纹扩散行为进行的试验研究表明：在Ⅱ型加载条件下，裂纹可能仍沿Ⅱ型方向继续扩展，亦可能发生分支转变成Ⅰ型甚至Ⅰ＋Ⅱ型扩展，主要取决于材料本身的性质和它们的微观结构以及应力水平。当裂纹仍沿Ⅱ型方向扩展时，其扩展速率比相当应力水平的Ⅰ型裂纹扩展速率要大得多。     

粗骨料体积分数对混凝土Ⅱ型断裂参数的影响

对不同粗骨料体积分数下的混凝土Ⅱ型断裂性能进行了研究。根据最大泥浆厚度(Maximum paste thickness, MPT)理论,给出了断裂韧度K_{Ⅱ C}与粗骨料体积分数V_a之间的经验关系式。通过对含有四种粗骨料体积分数(19%、25%、31%、37%)的无切口试件开展半边加载断裂试验,测得相应的峰值荷载、断裂韧度、能量释放率等断裂参数,并分析了断裂韧带表面的裂纹分布规律。试验结果表明:随着粗骨料体积分数的增加,混凝土的Ⅱ型断裂韧度K_{Ⅱ C}和临界能量释放率G_{Ⅱ C}明显增加,名义断裂韧带处的裂纹轮廓线更长、更曲折;各配比试件的开裂模式基本一致,剪切裂纹主要集中在名义断裂韧带区域。同时,利用数字图像相关技术(Digital image correlation, DIC)对试件表面的损伤演化进行分析,结果表明,试件表面的应变局部化能够较好地表征断裂过程区(Fracture process zone, FPZ)的形态特征及演化过程。随着粗骨料体积分数的增加,FPZ的形态更不规则,分支更多。      

纤维增强复合材料界面疲劳裂纹扩展的模拟研究

脱粘是纤维增强复合材料界面裂纹扩展的主要表现形式.基于剪切筒模型和常用的实验加载方式,研究了纤维增强复合材料中纤维与基体界面在拉-拉循环荷载作用下的裂纹扩展.借助描述疲劳裂纹扩展的Paris公式,得到了疲劳裂纹扩展速率、扩展长度以及界面上摩擦系数与加载次数的关系.在分析中,考虑了疲劳加载引起的脱粘界面的损伤及损伤分布的不均匀性,同时还考虑了材料的泊松效应.     

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。     

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。     

2D-SiCf/SiC复合材料层间Ⅰ型断裂试验及表征

二维编织碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(2D-SiC_f/SiC)在航空领域中得到广泛使用,然而该材料层间强度低,使其易萌生层间裂纹,引起分层破坏。为此,本工作采用楔形双悬臂梁法(W-DCB)和悬臂梁法(DCB)开展了层间Ⅰ型断裂试验,获得了2D-SiC_f/SiC的层间裂纹驱动的加载数据,得到了其裂纹端口张开力及张开位移变形曲线。在试验加载过程,通过光学显微镜监测了视觉裂纹扩展过程,探究了2D-SiC_f/SiC的层间I型裂纹扩展规律。结合理论分析和裂纹视觉特征解释了加载曲线拐点及其他特征点的断裂力学含义。利用扫描电子显微镜分析了2D-SiC_f/SiC的层间断面特征,揭示了断面分层裂纹扩展机制。结果表明:W-DCB方法测量的2D-SiC_f/SiC层间Ⅰ型初始能量释放率与DCB方法等效;2D-SiC_f/SiC层间Ⅰ型断裂过程中,裂纹端口变形曲线的多峰性不符合经典线弹性断裂力学预测的加载峰后特征,反映了2D-SiC_f/SiC层间约束关系的复杂性...     

陶瓷薄基板材料裂纹预制与断裂韧性评价

预制长度可控的裂纹以及原位观察裂纹扩展是研究陶瓷薄基板抗断裂行为的两大重点.本研究提出应变诱导法,通过将基板与黄铜梁粘结形成复合体,利用黄铜梁弯曲变形带动侧面陶瓷薄板受拉侧拉伸变形产生可控裂纹.在工具显微镜下对复合体进行四点弯曲,原位观察样品的裂纹扩展情况,通过调节黄铜梁宽度来控制初始裂纹长度,在初始裂纹萌发后继续加载...