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。

基于键基近场动力学理论的单裂纹圆孔板冲击破坏研究

基于键基近场动力学理论,建立分离式霍普金森杆冲击单裂纹圆孔板动力学模型,其中霍普金森杆用一维PD模型、单裂纹圆孔板用二维PD模型描述,采用短程斥力模型描述碰撞过程,模拟冲击压缩条件下单裂纹圆孔板动态破坏行为。通过试样端面受力分析得到端面载荷的V形分布规律,解决了传统实验-数值研究法在端面加载上的局限性。研究不同入射速度下试件裂纹的扩展过程和破坏模式,准确捕获了裂纹起裂、止裂及二次起裂时间。根据键基近场动力学理论下材料动态应力强度因子计算方法,求得裂纹的起裂韧度,为材料动态断裂韧度计算提供了新的途径。

压缩双裂纹和单裂纹圆孔板应力强度因子公式

从理论模型和数值分析上澄清了国外文献关于压缩双裂纹圆孔板(double cleavage drilled compression,DCDC)的应力强度因子不同的公式引起的混淆.证明Plaisted等用修正压缩无限大板中圆孔双边裂纹的解和欧拉--伯努利梁理论得到的DCDC应力强度因子公式都存在推导和原理性的失误.指出Jenne等推导的公式形式过于复杂不便使用,而He等的公式适用范围偏小.通过拟合有限元法宽范围数值计算结果导出DCDC的应力强度因子的新公式,该公式形式简单,对无量纲裂纹长度和无量纲板宽度适用范围较大,最大误差是7%.此外,还对新提出的压缩单裂纹圆孔板(single cleavage drilled compression,SCDC)做了分析,首次得到的SCDC应力强度因子公式的最大误差是5%.给出的2个公式可分别用于脆性材料DCDC或SCDC试样的断裂韧度测试.

采用压缩单裂纹圆孔板确定岩石动态起裂、扩展和止裂韧度

爆炸、冲击、地震等人为或自然灾害不可避免,经常造成大量土木工程设施的破坏,因此岩石在动态载荷作用下的行为受到特别关注.岩石动态断裂韧度是评价岩石抵抗裂纹动态起裂、扩展和止裂性能的材料参数,开展岩石动态断裂韧度测试方法的研究对相关理论基础和实验技术的要求较高.岩石动态断裂韧度分为动态起裂、动态扩展、动态止裂三种,虽然关于动态起裂和动态扩展的研究已有一些成果,对岩石动态止裂的研究仍是一个难题,至今几乎无人问津.研究表明,在分离式霍普金森压杆撞击压缩单裂纹圆孔板岩石试样的I型动态断裂试验中,动态起裂、扩展、止裂的全过程可以由黏贴在压缩单裂纹圆孔板试样上的裂纹扩展计监测,岩石的动态起裂、扩展、止裂韧度可以用实验-数值-解析法确定.特别值得一提的是首次测出了岩石的动态止裂韧度.裂纹扩展计信号还显示,压缩单裂纹圆孔板在止裂后,停止的裂纹还会再次动态起裂、扩展并超出裂纹扩展计的检测范围.从能量的角度分析了动态止裂的过程,指出测试动态止裂韧度时要注意的一些问题.结果显示,岩石动态起裂韧度和动态扩展韧度分别随动态加载率和裂纹扩展速度的增大而增大,岩石动态起裂韧度略大于动态止裂韧度.

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。

霍普金森杆冲击压缩单裂纹圆孔板的岩石动态断裂韧度试验方法

对压缩单裂纹圆孔板（single cleavage drilled compression-SCDC）砂岩试样，利用分离式霍普金森压杆（SHPB）冲击加载，进行了岩石张开型（I型）动态断裂实验。分别采用2种方法确定砂岩的动态断裂韧度，第1种方法是实验一数值法：由SHPB弹性杆上应变片获得作用在试件上的加载力，然后输入有限元分析程序求得试样裂尖动态应力强度因子，对应于裂尖起裂时刻的动态应力强度因子即为材料动态断裂韧度值；第2种方法是准静态法：将载荷峰值代入静态应力强度因子公式确定动态断裂韧度。2种方法的结果差异较大，对无量纲裂纹长度α／R=0．64（A组）试样，准静态方法确定的断裂韧度值要比实验．数值法确定的断裂韧度值平均要小35％～62％；对无量纲裂纹长度α／R=1．61（B组）试样，准静态方法的计算结果比实验-数值法的计算结果平均要小72％～83％。从原理上讲，实验-数值法比准静态法能更合理地测定岩石的动态断裂韧度。