聚乙烯醇纤维混凝土动态断裂过程试验研究

为探究纤维体积掺量对聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)断裂过程的影响,基于50 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对不同纤维体积掺量(0%、0.75%、1.50%、2.25%、3.00%)的PVA-ECC中心切槽半圆盘弯曲(NSCB)试件进行冲击试验,同时结合超高速数字图像(DIC)相关试验系统对PVA-ECC材料的动态断裂过程进行试验研究,得到了预制裂纹尖端张开位移的变化规律以及各组试件的临界裂缝尖端张开位移(CTODC)。结果表明,当不添加PVA纤维或添加较少(小于1.50%)时,裂尖宏观裂纹基本出现在裂尖荷载的峰值时刻处,而随着PVA纤维掺量的增加,裂尖宏观裂纹的出现显著早于裂尖荷载的峰值时刻,并且纤维体积掺量越大,裂尖宏观裂纹出现得越早,裂纹扩展至完全断裂的时间也显著增加。添加聚乙烯醇纤维可以显著提高混凝土试件的CTODC值,提高试件的阻裂能力,相同冲击荷载下,体积掺量为2.25%的聚乙烯醇纤维试件具有较大的CTODC值。

热冲击对花岗岩动态断裂行为的影响研究

为了研究热冲击对加热花岗岩的影响,使用3种冷却方法来提供不同的冷却速率,对花岗岩试样施加不同程度的热冲击作用。通过分离式霍普金森压杆(SHPB)系统对热冲击处理后的花岗岩半圆盘中心直裂纹三点弯曲(NSCB)试样进行冲击断裂试验,并利用高速摄像机记录了试样的断裂模式。试验结果表明:随着试样温度和冷却速率的提升,试样的干密度和纵波波速显著下降,试样的孔隙率加大。试样的断裂韧度变化及破坏模式表明热冲击作用使花岗岩试样受到冲击力时抗裂纹扩展的能力下降,尤其在冲击载荷的加载率高于130 GPa·m^(0.5)/s时下降尤为明显。

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。

SHPB冲击加载下四种岩石的复合型动态断裂实验研究

分别用绿砂岩、黄砂岩、灰砂岩、大理岩制作了三种几何相似的(φ80mm、φ122mm、φ155mm)中心直裂纹平台巴西圆盘(CSTFBD)试样;利用分离式霍普金森压杆加载,进行了I型和I-II型复合动态断裂实验,并由实验结合有限元分析得到了四种岩石材料的I、II型动态断裂韧度KId、KIId。研究表明:动态断裂韧度均存在尺寸效应,试样尺寸对I-II型复合比和纯II型加载角均会产生影响,复合比随尺寸的增大而减小,大尺寸试样II型加载的加载角比小尺寸试样的小。同时,由于负值的T应力显著减小了裂纹的起裂角,用广义最大拉应力准则预测的起裂角更符合实验结果。

大理岩Ⅰ–Ⅱ复合型动态断裂的实验研究

利用霍普金森压杆系统对几何相似的3种尺寸(φ50mm,φ130mm,φ200mm)中心直裂纹平台巴西圆盘大理岩试样进行了3种加载角(载荷方向与裂纹线的夹角分别为0°,10°和19°)的径向冲击实验,采用实验–数值方法确定复合型动态断裂的I,II型应力强度因子时间历程曲线KI(t)和KII(t),以及起裂时刻tf的复合比(KI(tf)/KII(tf))。在100μs加载时间内试样尺寸对复合比会产生影响:对于静态情况为I–II复合型加载的10°加载角,在动态加载时,φ50mm尺寸试样仍处于复合型加载,而φ130mm,φ200mm尺寸试样已经处于II型加载,产生这种差异的原因是应力波与裂纹面相互作用产生的扰动。岩石I,II型动态断裂韧度(KId,KIId)均存在尺寸效应,而且KIId比KId的尺寸效应更为显著,对此现象从能量的角度给出解释。考虑裂纹尖端应力场Williams特征展开式的第一非奇异常数项,T应力对动态应力强度因子的计算并无影响,但对复合型动态断裂的开裂角有一定的影响。

中心直裂纹平台巴西圆盘复合型动态断裂实验研究

制作了中心直裂纹平台巴西圆盘(cracked straight through flattened Brazilian disc-CSTFBD)试样,利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar SHPB)加载,进行了岩石纯Ⅰ型和复合型(Ⅰ+Ⅱ型)动态断裂实验。由于加载角(载荷方向与裂纹线的夹角)在制作试样时已经通过裂纹线与试样平台的位置关系确定,因此在实验中可以方便而准确地实施加载。比较了纯Ⅰ型加载和复合型加载下压杆上记录的入射波、反射波和透射波的波形。采用实验与数值相结合的方法,将实验得到的动态载荷输入有限元程序,得到了纯Ⅰ型试样的动态断裂韧度和复合型试样的两种动态应力强度因子的时间历程。计算了加载角为15°的试样应力强度因子的复合比(KⅠ(t)/KⅡ(t)),此计算值与文献结果吻合较好,验证了实验方法的有效性。

压缩单裂纹圆孔板(SCDC)岩石动态断裂全过程研究

用大直径分离式霍普金森压杆冲击砂岩的压缩单裂纹圆孔板,成功地监测到Ⅰ型动态断裂的全过程。实验中由裂纹扩展计分别纪录了动态起裂、扩展、止裂、和再起裂时刻,采用分形裂纹扩展模型分析曲折裂纹的扩展速度,最后用实验-数值-解析法确定砂岩的动态起裂韧度、动态扩展韧度、动态止裂韧度以及二次动态起裂韧度。动态断裂全过程的实验结果表明:裂纹扩展路径为不规则曲线,此时裂纹动态扩展速度表征的普适函数值会比假设裂纹路径为直线时小;利用分形模型得到更加接近真实的动态扩展韧度;砂岩的动态起裂韧度大于动态止裂韧度;由于初次动态起裂时的裂纹实为人工切槽,而二次动态起裂时为天然形成的裂纹因而非常尖锐,初次动态起裂韧度略大于二次动态起裂韧度。

花岗岩在单轴冲击压缩荷载下的动态断裂分析

利用脉冲整形器改进后的分离式Hopkinson压杆(SHPB)系统,对新加坡Bukit Timah地区的花岗岩圆柱形试样进行了高应变率下的单轴压缩实验。实验结果发现:随着应变率的增加,不仅花岗岩材料的抗压强度增大,而且以轴向拉伸劈裂为主要破坏形式的破碎程度也有所提高,表现为碎块的尺寸减小和数量增加。针对上述花岗岩的动态特性,采用多裂纹相互作用的动态滑移型裂纹模型定量的分析了不同应变率下,材料的微裂纹的初始长度、角度、初始裂纹间距以及裂纹面的摩擦系数等微裂纹特征对材料动态强度及破碎的影响,将岩石类材料的宏观动力学特性与其细观微结构联系起来,合理地解释了花岗岩的动态强度及破碎程度的应变率相关性。

不同角度裂纹缺陷对材料动态断裂行为的影响

采用新型数字激光动态焦散线试验系统,对含相互垂直和相互共线两种裂纹缺陷介质在冲击载荷作用下的动态断裂行为进行了研究。结果表明:在动态冲击载荷的作用下,边裂纹缺陷处应力集中程度远大于试件的内部裂纹缺陷处应力集中程度;当裂纹从垂直内部裂纹缺陷的端部再次起裂时,表现为Ⅰ/Ⅱ复合型断裂;起裂后,裂纹的断裂模式很快由Ⅰ/Ⅱ复合型向Ⅰ型转化;而对于内部共线裂纹缺陷而言,裂纹的起裂和扩展始终表现为Ⅰ型断裂形式。当内部裂纹缺陷垂直于边裂纹时,内部垂直裂纹缺陷对边裂纹扩展的裂纹尖端的应力强度因子和裂纹扩展速度均有抑制作用;且当裂纹再次从内部垂直裂纹缺陷处起裂后,裂纹的扩展速度和应力强度因子也较共线裂纹缺陷时的高;裂纹扩展速度与裂纹尖端的动态应力强度因子呈正相关性。

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。

冲击倾向性煤体的三点弯曲动态断裂实验

采用三点弯曲冲击断裂实验装置和分布式多火花高速摄影系统对冲击倾向性煤体内裂纹扩展过程进行了观测,分析了裂纹扩展速度、动态裂纹扩展摸式和裂纹扩展的非稳定性.研究发现:冲击倾向性煤体内裂纹扩展具有高度的非线性特征;煤体的非均质性和不连续性对动态裂纹扩展模式和裂纹扩展速度有较大影响.实验结果解释了由放炮等震动诱发冲击地压灾害的滞后突发机理.

受静载荷作用的岩石动态断裂的突变模型

将突变理论应用于分析受静载作用的岩石因扰动而导致的动态断裂的过程,建立了受静载作用的岩石内部裂纹在应力谐波扰动下扩展的双尖点突变模型,发现了受静载作用的岩石内部裂纹结构振动频率的变化规律,以及应力谐波扰动时受静载作用的岩石内部裂纹结构的响应存在着非线性关系,给出了受静载作用的岩石动态断裂新判据,从几何角度宏观描述了裂纹扩展的复杂过程.

高应变率下HTPB推进剂动态断裂性能研究

为研究HTPB推进剂在冲击载荷作用下的动态断裂特性与破坏机理，使用中心直裂纹圆盘试件，在分离式Hopkinson压杆实验系统上开展了推进剂动态断裂实验，得到了高应变率下HTPB推进剂的I型动态起裂韧性值，利用扫描电镜观察了推进剂的断面形貌，并使用分形几何方法计算了断面分形盒维数。结果表明：本文的实验方法是有效的，推进剂的动态起裂韧性具有明显的应变率敏感性，在应变率400～1100s^-1范围内，其值随着加载速率的增加呈现线性增长的关系；推进剂在高应变率条件下呈现颗粒破碎、穿晶断裂等脆性断裂特性，应变率越高，推进剂断面的分形盒维数越大，推进剂的颗粒破碎程度越严重，从微观层面验证了推进剂断裂韧性的应变率敏感性。

复合固体推进剂动态断裂研究

用轻气炮驱动飞片技术对复合推进剂进行了动态压缩和层裂实验，选用有机硅橡胶衬底材料，利用压阻计测得了复合推进剂中的层裂信号。结果表明，复合推进剂在动态压缩条件下主要表现为固体颗粒高氯酸铵的破碎，即首先在固体颗粒中产生微裂纹，在动加载下呈脆性断裂性质；测得的层裂压力曲线与典型的层裂信号明显不同。同时，采用细观分析方法得到了一个描述固体推进剂断裂的简化脆性损伤模型，并利用本文模型模拟了层裂过程，计算结果与实验测试曲线一致性较好。

MB_2镁等四种金属材料的本构关系和动态断裂研究

采用炸药爆轰－分离飞片加载装置与电容传感技术相结合，由高速示波器连续记录靶板自由面速度剖面，通过波剖面的时间分辨测量，研究了ＭＢ＿２镁、ＬＹ－１２铝、钨合金、２１６９钢四种金属材料的动力学响应特性，给出了这几种材料在弹性－理想塑性模型假设下的本构关系，还给出了它们的动态断裂强度，并对标准化层裂强度与破坏比功、屈服强度之间的相关性进行了分析和讨论。

一维快速拉伸下无氧铜的动态断裂与破碎

利用电磁膨胀环技术对无氧铜环进行了不同加载电压下的动态拉伸实验。对无氧铜在破碎前出现塑性失稳——多重颈缩进行了初步分析,利用能量平衡的破碎理论给出了无氧铜环的破碎分布。三维数值模拟结果表明,颈缩区温升比非颈缩区高,且多重颈缩在环周上的分布服从泊松分布。

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。

岩石动态断裂韧度的尺寸效应

采用两种圆孔裂缝平台巴西圆盘试件(一种为直径分别为42、80、122、155 mm的几何相似试件,另一种为直径80 mm、仅裂缝长度不同的单一尺寸试件)对岩石动态断裂韧度的尺寸效应进行了研究。给出了在霍普金森压杆系统上对试件进行径向撞击产生的应变波形和断裂模式。实验结果表明,对于几何相似试件,动态断裂韧度的测试值随着尺寸的增大而增大,而对于单一尺寸试件,其测试值随着中心裂缝长度的增加呈现先增大后减小的趋势。裂缝前端的断裂过程区长度和孕育时间是岩石动态断裂韧度测试值表现为尺寸效应的主要原因,为了减小尺寸效应,建立了考虑这两个参数在空间-时间域对动态应力强度因子的分布进行积分后再平均来确定岩石动态断裂韧度的方法。

动态断裂力学的无限相似边界元法

对弹性动力学的相似边界元法进行了进一步研究,推导了相应的计算公式,并在此基础上提出了动态断裂力学的无限相似边界元法.与传统的边界元法相比,相似边界元法由于只需在少数单元上进行数值积分,大大减少了计算量.对动态断裂力学问题,无限相似边界元法由于在裂纹尖端的边界上设置了逼近于裂纹尖端的无限个相似边界单元,可直接得到裂纹尖端具有奇异性的应力,而不需要设置奇异单元,从而突破了奇异单元对应力奇异性阶次的局限.另外,还讨论了无限相似边界元法得到的无限阶的线性代数方程组的求解方法.

加载速率对高强钢40Cr和30CrMnSiNi2AⅠ型动态断裂韧性的影响

采用实验-数值方法对40Cr和30CrMnSiNi2A两种高强钢三点弯曲试样在不同加载速率的冲击载荷作用下进行了动态断裂韧性的测试,并对其率相关性进行研究．实验在Hopkinson压杆系统上完成,试样的起裂时间采用应变片法测得．结合有限元三维动态模拟,得到了不同加载速率下试样动态应力强度因子的时间历程并由实测的起裂时间确定材料动态断裂韧性．结果表明,在本工作加载速率范围内(10~6MPa·m^(1/2)/s),40Cr钢为解理型断裂,其动态断裂韧性随加载速率增加的变化趋势不明显；而30CrMnSiNi2A钢则在较大程度上表现为延性断裂的特征,其动态断裂韧性随加载速率的增加呈明显上升趋势．并对上述结果进行了宏观和微观机理分析．