爆炸载荷下Ⅰ型裂纹的起裂及扩展规律研究

为了研究爆炸载荷作用下I型裂纹的断裂韧度参数及扩展规律,首次将裂纹扩展计(crack propagation gauge,CPG)和内部单裂纹圆盘(single internal crack circular disc,SICCD)试件引入到爆炸载荷下的韧度测试中。试验采用了大尺寸PMMA试件和示波器、超动态应变仪搭接的测试系统,并利用动态有限差分软件AUTODYN和有限元软件ABAQUS建立数值计算模型,通过试验–数值法得出I型裂纹的裂纹扩展速度、动态起裂韧度、扩展韧度及止裂韧度等断裂参数。试验结果表明:(1)预制裂纹在扩展过程中,扩展路径出现拐点时,会产生明显的止裂现象,当裂纹再次起裂时,速度会明显上升。(2)CPG能够更加精准地监测裂纹的扩展规律,结合试验–数值法能够很好地计算出裂纹的起裂韧度等动态参数,为爆炸试验断裂参数的获取提供了一种新型的测试方法。(3)初步的分析表明爆炸载荷下动态止裂韧度要大于动态起裂韧度和动态扩展韧度。     

用SCDC试样测试岩石动态断裂韧度的新方法

 利用大直径(?100 mm)分离式霍普金森压杆对大尺寸(150 mm×80 mm)压缩单裂纹圆孔板(SCDC)试样冲击加载,采用实验–数值–解析法测定了青砂岩的I型动态起裂韧度和动态扩展韧度。试样的起裂时刻和裂纹扩展速度由黏贴在裂尖附近的裂纹扩展计确定,通过对比发现,裂纹扩展计的准确性和灵敏性都比黏贴在同一试样对应位置的普通应变片更好。实验–数值–解析法根据实验数据获取试样两端的加载历程,利用有限元数值计算和普适函数的半解析修正,综合考虑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,较准静态方法更适于采用大尺寸试样确定岩石动态断裂韧度。实验–数值–解析法所确定的高加载率和高裂纹扩展速度下砂岩的动态断裂韧度值分别随动态加载率和裂纹扩展速度的提高而增加。最后,通过对SCDC试样裂纹扩展路径上应变片的断裂时间分析,确定了利用SCDC试样实现动态止裂的可能性。     

裂纹非一致起裂对动态断裂韧度确定的影响

为了考察中心圆孔裂缝平台巴西圆盘试件直裂缝非一致性起裂对测试岩石动态断裂韧度带来的影响,在霍普金森压杆冲击系统上对圆盘试件进行冲击试验,获得了端部加载载荷和裂纹前缘不同点的起裂时刻,并借助ANSYS动态有限元分析得到了圆盘试件三维裂纹前缘不同点的动态应力强度因子时间历程曲线,采用实验—数值方法计算得到相应的动态断裂韧度值。结果表明:裂纹前缘点对应动态应力强度因子值沿厚度方向逐渐递增;二维分析方法得到的动态应力强度因子与三维分析方法裂纹前缘中心处的值最为接近,两者的相对误差小于5%,对应确定的动态断裂韧度值相对误差小于1.2%。如果不考虑圆盘厚度影响,假设试件在圆盘表面起裂,由裂纹前缘其它点所求得的动态断裂韧度值与二维方法得到的值相对误差最大可以达到23%,采用二维简化方法存在较大的误差。     

利用TWSRC试件进行砂岩与PMMA脆性材料裂纹断裂特性研究

不同脆性材料在冲击载荷作用下,起裂时间、裂纹扩展速度及动态起裂韧度等断裂力学参数将呈现不同的表现形式。选择青砂岩、红砂岩、黑砂岩及PMMA(polymethylmethacrylate)4种脆性材料作为研究对象,采用TWSRC(tunnel with single radial crack)试件,结合裂纹扩展计对预制裂纹的起裂时刻及扩展时刻进行测试,结合试验–数值法对动态起裂韧度进行计算,并采用有限差分法程序对试件的破坏行为进行数值分析,将冲击试验结果与数值模拟结果进行对比分析,可以得到以下结论:(1)裂纹平均扩展速度随着脆性材料弹性模量的增加逐渐增大,而起裂时间呈现反比例关系;(2)脆性材料的动态起裂韧度随着脆性材料弹性模量的增加而逐渐增大;(3)在冲击载荷作用下,3种岩石材料的破坏形式与PMMA的破坏形式有很大差别。     

中心孔径对岩石动态断裂韧度测试值的影响

 为了考察圆盘试件不同中心孔径对岩石动态断裂韧度测试值的影响,采用直径80 mm含有不同中心圆孔孔径的圆孔裂缝平台巴西圆盘试件,在Hopkinson压杆系统上进行径向冲击试验,获得岩石的动态断裂韧度。结果表明,当中心圆孔孔径与圆盘直径之比r0/R∈(0.10,0.30)时,岩石动态断裂韧度的平均值为4.57 MPa•m1/2,测试值受中心圆孔孔径变化的影响并不明显。试件的断裂模式有一定差异,当圆孔孔径较小时,在主裂纹扩展的过程中萌生较多的次生裂纹;随着孔径的增大,次生裂纹减少,试件呈现更加明显的宏观拉贯通破坏。对于推广中心圆孔裂缝平台巴西圆盘测试岩石动态断裂韧度的方法,以及掌握岩石受到动态冲击时的破坏特性具有重要的意义。     

岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹动态扩展SHPB实验及数值模拟研究

为了研究Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹动态扩展问题及裂纹止裂问题,侧开单裂纹半孔板(single cleavage semi circle compression,SCSCC)试样采用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统进行冲击,完成SCSCC试样I–II复合型裂纹动态断裂实验,并针对实验进行数值分析,研究其扩展路径。为了验证数值模拟的可靠性,不仅进行有限尺寸中心裂纹板受冲击拉伸作用的动态有限差分法分析,而且在对SHPB实验进行数值分析后,将模拟监测点应变值与实验中入射杆应变片测得的应变值进行比较。结果表明:(1)验证分析中应力强度因子结果与其他测试的结果比较吻合,同时,模拟监测点记录下的应变值与SHPB实验中入射杆应变片记录下的应变数据相比较,两者吻合程度很高,说明使用数值方法模拟SHPB实验的可行性;(2)数值模拟的裂纹扩展路径与SHPB实验裂纹扩展路径基本吻合;(3)SCSCC试件在扩展过程中,裂纹尖端存在短暂停留现象,并最终朝着试件中轴线方向(最大应力区)移动;(4)SCSCC试件是一种便于研究裂纹动态扩展问题的构型,可以有效地求解不同复合程度的I–II复合型裂纹问题,为后续的止裂研究提供基础。     

中低速冲击载荷下巷道内裂纹的动态响应

 由于爆破开挖,巷道内常含有径向裂隙,并影响巷道的稳定性,为了详细地研究含径向裂纹巷道在冲击载荷作用下的动态断裂行为,采用砂岩材料制作巷道模型试样进行中低速冲击动态断裂试验,并采用AUTODYN有限差分软件进行数值模拟分析。分析巷道对称轴线上的径向裂纹在冲击荷载作用下的扩展特性及止裂现象,并采用试验–数值–解析法计算出裂纹的起裂韧度及扩展速度等参数。研究结果表明：(1) 巷道围岩在静力载荷作用和动力载荷作用下的破坏行为有较大差异,动力载荷下破坏仅是裂纹尖端处的起裂、扩展;而静力载荷下破坏除了发生在裂纹尖端处,也会在巷道拱肩、拱脚及两侧帮处发生破坏。(2) 巷道对称轴线上的裂纹在冲击载荷下的扩展路径大致沿着裂纹的原方向扩展,扩展路径中存在明显的止裂现象。(3) 采用试验–数值–解析法能够较好地计算出裂纹的起裂速度及扩展速度,进一步采用位移外推法能够求解出巷道内裂纹的动态应力强度因子时程曲线,利用测试的裂纹起裂时间确定起裂韧度。     

冲击荷载下岩石裂纹动态扩展全过程演化规律研究

为研究岩石裂纹全过程扩展规律及扩展行为中的定区域止裂问题,提出修正侧开半孔板(improved single cleavage semi-circle specimen,ISCSC)构型构件。通过大直径分离式霍普金森压杆试验系统进行冲击试验,使用裂纹扩展计测试系统测定了裂纹扩展速度,同时引入拉伸断裂软化损伤破坏模型进行数值模拟,通过试验–数值法,深入分析动载荷下岩石裂纹全过程扩展演化行为及双空心孔对于裂纹扩展的影响。结果显示,ISCSC构型实现了裂纹扩展中的定区域止裂,可以精准预测止裂区域;预制双空心孔的构型分布对裂纹扩展行为影响巨大,裂纹扩展速度受到明显抑制;裂纹扩展至双孔中心连线区域时,裂纹尖端拉应力场与双孔形成的叠加应力场相互作用,导致主裂纹扩展速度急剧降低,甚至出现止裂现象;裂纹扩展至叠加场时,极易受到物质不均匀性影响,产生偏折或分叉;同时,数值计算的结果和试验吻合,验证ISCSC构型用于研究裂纹起裂、扩展及止裂全过程演化行为的有效性。     

采用中心圆孔裂缝平台圆盘确定岩石的动态断裂韧度

由于带有预制裂缝岩石试件的难于制作以及动态研究的复杂性,岩石动态断裂韧度在研究方法上一直也没有统一的标准,有必要对其测试方法进行研究。采用大理岩制作了一种含有中心圆孔预制裂缝宽度小于1mm的平台圆盘试件,在霍普金森压杆系统上进行了动态冲击试验,并采用实验-数值方法,确定其动态断裂韧度。该方法基于一维应力波理论,采用Hopkinson弹性压杆上应变片获得作用在试件两端面的动态载荷P(t),输入此载荷,利用动态有限元法求得试样内动态应力强度因子KI(t)随时间的变化历程,对应于试件上应变片测得的起裂时间tf的动态应力强度因子KI(tf)即为材料的动态起裂断裂韧度KId。     

各向异性脆性材料动态断裂的实验研究

通过引入了正交各向异性动态裂纹尖端应力场,结合焦散线方法理论,得到正交各向异性材料的应力强度因子和裂纹长度随时间的变化以及材料的动态断裂韧度。通过选用经过压缩变形后呈现明显的各向异性的聚碳酸酯(PC),研究了不同压缩变形处理下PC材料的动态断裂性能,验证实验方法的可靠性。实验结果表明,对于相同压缩变形的试件,沿着塑性压缩方向的断裂韧度大于垂直于塑性压缩方向的各向同性面内的断裂韧度;随着压缩变形的增加,材料断裂韧度增强。该方法适用于非透明材料,可以推广到各向异性岩石等脆性材料的动态断裂问题研究。     

冲击荷载下层理对页岩内裂纹扩展行为影响规律的研究

为了研究冲击荷载作用下页岩的断裂特性及层理对裂纹扩展行为的影响规律,基于实验–数值法,采用大直径分离式霍普金森压杆(SHPB)加载系统分别对0°,30°,45°,60°及90°层理倾角的页岩侧开单裂纹三角孔板构型试件(single cleavage triangle,SCT)进行动态冲击实验,并借助AUTODYN有限差分软件采用复合层状岩石模型对裂纹扩展过程进行数值模拟。实验结果表明,层理对裂纹扩展方向及试件破坏形态影响显著。裂纹的扩展速度与加载速率整体上呈正相关关系,加载速率较低的情况下裂纹停滞现象容易发生。沿层理面开裂是页岩等层状类岩石主要的破坏形式,但是次生裂纹的起点并不完全随机,实验发现裂纹扩展速度减缓处是次生裂纹起萌的高发区域。     

爆炸载荷下砂岩动态断裂特性的试验研究

为研究爆炸载荷下砂岩的断裂特性,对3种砂岩试件进行爆炸试验,借助XRD(X-raydiffraction)衍射图谱分析测试和SEM(scanning electron microscope)电镜扫描,研究砂岩的成分、预制裂纹的扩展断裂面微观结构等,利用有限元软件ABAQUS建立数值计算模型,通过试验–数值法得出I型裂纹的裂纹扩展速度、动态断裂韧度等参数。试验结果表明:(1)炮孔周边的砂岩主要以塑性破坏为主,扩展裂纹断面的破坏形态主要以脆性断裂为主,3种砂岩成分的不同表现出微观晶体破坏形式、裂纹扩展速度、断裂韧度等的不同;(2)动态裂纹的扩展速度不是一个定值,在扩展过程中有起伏变化,黑砂岩的速度要高于红砂岩和青砂岩;(3)黑砂岩的动态起裂韧度要高于红砂岩和青砂岩,并且动态扩展韧度与扩展速度基本成反比关系。     

含裂纹模拟岩石材料动焦散实验研究

应用动态焦散线方法,进行了含预置裂纹模拟岩石材料的冲击断裂实验。分析裂纹预置位置与长度对裂纹扩展及断裂破坏的影响规律,为相关领域的岩体工程稳定性分析提供依据。实验结果表明,应力强度因子在裂纹起裂前后呈现振荡变化特征;随着裂纹距试件左边缘长度的增加,应力强度因子数值逐渐变小,裂纹起裂时间提前,II型因子比例逐渐降低;随着裂纹长度的增加,应力强度因子最大值减小,裂纹起裂时间提前。     

含裂纹岩石巴西圆盘试件在冲击载荷下断裂参数的有限元计算

采用LS-DYNA有限元软件,对含中心裂纹的岩石巴西圆盘试件在冲击压缩荷载作用下的变形过程进行数值分析。基于虚拟裂纹闭合技术,提出在冲击载荷作用下裂纹结构能量释放率和动态应力强度因子的计算方法,得到巴西盘试件的能量释放率和应力强度因子与时间的关系曲线,并给出不同冲击速率对该曲线的影响。对含中心裂纹的岩石巴西盘试件在冲击压缩荷载作用下I型断裂参数与II型断裂参数的时间历程曲线进行比较。计算结果表明：在相同冲击速度下,在同一时刻II型断裂参数的数值比I型断裂参数小几个量级,含中心裂纹的巴西盘试件可作为I型断裂模型处理。     

冲击荷载作用下的Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹扩展规律研究

为了研究纯I和I/II复合型裂纹在冲击荷载作用下的动态断裂行为,基于提出的单裂纹半孔板(SCSC)构型和大直径分离式霍普金森压杆设备,使用2种石材进行岩石的纯I和I/II复合型的动态断裂实验;同时,实验中使用新装置(裂纹扩展计和高速摄影系统)来监测裂纹的扩展速度。为了检验实验结论,基于Drucker-Prager强度模型和累积损伤失效准则,建立针对纯I和I/II复合型裂纹的数值模型,并使用AUTODYN软件来模拟裂纹的扩展行为。总体上,由数值模拟得到的裂纹扩展路径和实验结果十分吻合。研究结果表明,在裂纹扩展的过程中,其扩展速度是一个变化量,甚至有可能停滞,也就是说可能出现止裂现象;同时,CPG和高速摄影系统都可以很好的反映出此现象,并且高速摄影系统更加直观,说明在动态断裂研究中是适用的,同时给出纯I型动态断裂实验裂纹扩展速度特征,供工程参考。     

冲击荷载作用下的I/II复合型裂纹扩展规律研究

 为了研究纯I和I/II复合型裂纹在冲击荷载作用下的动态断裂行为,基于提出的单裂纹半孔板(SCSC)构型和大直径分离式霍普金森压杆设备,使用2种石材进行岩石的纯I和I/II复合型的动态断裂实验;同时,实验中使用新装置(裂纹扩展计和高速摄影系统)来监测裂纹的扩展速度。为了检验实验结论,基于Drucker-Prager强度模型和累积损伤失效准则,建立针对纯I和I/II复合型裂纹的数值模型,并使用AUTODYN软件来模拟裂纹的扩展行为。总体上,由数值模拟得到的裂纹扩展路径和实验结果十分吻合。研究结果表明,在裂纹扩展的过程中,其扩展速度是一个变化量,甚至有可能停滞,也就是说可能出现止裂现象;同时,CPG和高速摄影系统都可以很好的反映出此现象,并且高速摄影系统更加直观,说明在动态断裂研究中是适用的,同时给出纯I型动态断裂实验裂纹扩展速度特征,供工程参考。     

具有宏观裂纹混凝土结构的起裂特性研究

具有宏观裂纹混凝土结构在荷载作用下裂纹是否会进一步扩展,是带裂纹工作的混凝土结构安全性能评价的重要课题.一方面要对混凝土结构应力状态进行现时观测与分析,另一方面要合理评价具有宏观裂纹混凝土结构的起裂特性.根据数批不同形式混凝土试件的试验结果,分析了混凝土起裂荷载/最大荷载、起裂韧度/断裂韧度与试件形式、相对初始缝长的关系,得出了一些有意义的结论.     

冲击荷载下缺陷介质裂纹扩展的DLDC试验

采用数字激光动态焦散线试验系统,利用落锤冲击含预制裂纹(倾斜角度分别为0°,30°,45°)的缺陷介质,研究裂纹扩展的动态行为.结果表明:冲击荷载下,裂纹会于预制裂纹一端起裂,扩展至整个试件,且扩展路径指向重锤落点;主裂纹尖端的动态应力强度因子振荡增大又减小,然后增大至最大值时主裂纹起裂;次裂纹起裂前,KId振荡变化,起裂后迅速增大后振荡减小;主裂纹起裂后,速度迅速减小;次裂纹扩展速度先增大后振荡减小,与KId的变化趋势保持一致;含缺陷的冲击断裂试验中,主裂纹起裂时间较晚.     

Stanstead花岗岩动态断裂性能

 采用一种新的方法研究Stanstead花岗岩的动态断裂性能,包括起裂韧度、断裂能、传播韧度和裂纹传播速度。该方法采用分离式霍普金森压杆加载的带预制裂纹的半圆盘三点弯试样,同时采用激光位移计监测试样的裂纹面张开位移。在动态力平衡的条件下,起裂韧度由准静态公式计算得到。通过裂纹面张开位移数据推算出2个碎片的残余动能,从而计算出平均传播断裂能和传播韧度。裂纹传播平均速度由黏接在试样上的一系列裂缝计测量得到。试验结果表明,该花岗岩的起裂韧度和传播韧度都与加载速率有关,传播韧度大于起裂韧度,传播韧度随着裂纹传播速度的提高而提高。通过裂纹传播速度和传播韧度的关系拟合得到材料的止裂韧度及裂纹传播极限速度。得到的Stanstead花岗岩与Laurentian花岗岩结果对比表明,Stanstead花岗岩颗粒较大,起裂、止裂韧度较小;Laurentian花岗岩颗粒较小,传播韧度较小,裂纹传播极限速度较大,裂纹容易传播。     

脆性材料复合型裂纹断裂准则

基于假设:裂纹沿最小应变能密度S的方向扩展,并且当其达到临界值开裂(SED准则),文章提出一个新的断裂准则(MSED准则),适用于混凝土和岩石等脆性材料的I-II混合型断裂。该准则与试件加载情况及几何形状有关,它的关键值不仅包含I型断裂韧度KIc,且其中亦考虑了II型断裂韧度KIIc。为了验证MSED准则的有效性及预测精度,利用文献中的混凝土断裂实验结果进行比较。相较于其他传统的准则,文献的实验结果与本文提出的准则吻合得更好,能更加精确地预测裂纹的起裂及扩展。