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。

中心直裂纹平台巴西圆盘复合型动态应力强度因子

为了指导用中心直裂纹平台巴西圆盘(CSTFBD)试样进行岩石复合型动态断裂试验,利用有限元法首先验证了文献中对中心直裂纹巴西圆盘(CSTBD)得到的有关结果,分析比较了不同无量纲裂纹长度(即裂纹半长和圆盘半径之比)时两种圆盘的Ⅰ,Ⅱ型动态应力强度因子的时间历程,发现两者的差异大部分在10%以内,同时验证了该文数值方法的可靠性.然后讨论了CSTFBD试样Ⅰ,Ⅱ型动态应力强度因子的复合比、起裂角以及纯Ⅱ型加载角.研究成果可为复合型动态断裂试验中CSTFBD试样的加工、试样上应变片的粘贴、起裂方向和起裂时间的估计等提供参考.

用中心直裂纹平台巴西圆盘测试岩石动态断裂韧度的尺寸效应

对三组几何相似,尺寸不同(φ80,φ122,φ155mm)的中心直裂纹平台巴西圆盘试样,利用霍普金森压杆系统进行径向冲击试验,采用实验-数值方法确定岩石的动态断裂韧度。测试结果表明,岩石的动态断裂韧度同时受到加载率效应和尺寸效应的影响。为了分离两者的耦合作用,进行了两次线性回归:首先对相同尺寸试样的动态断裂韧度随加载率的变化进行回归,利用该回归公式可得到在相同加载率下不同尺寸的相似试样的动态断裂韧度,在此条件下可将Bazant的静态尺度律公式应用到动态;然后对同一加载率下的动态断裂韧度不同试样尺寸再进行回归,由此可以研究在给定加载率下动态断裂韧度的尺寸效应,最后求出了不同加载率下大理岩的材料动态断裂韧度。

径向冲击中心直裂纹巴西圆盘的复合型动态断裂分析

中心直裂纹巴西圆盘试样可以用于脆性材料在纯Ⅰ型、纯Ⅱ型以及Ⅰ-Ⅱ复合型载荷下的动态断裂韧度的测试.通过改变径向冲击的加载角θ(加载方向相对于裂纹的倾斜角),可以方便地实现不同的Ⅰ、Ⅱ型动态断裂实验.本文用有限元软件ANSYS对试样进行动态复合型断裂模拟分析,研究了不同载荷、不同材料以及不同试样尺寸对动态无量纲应力强度因子的影响,得到了纯Ⅱ型加载所对应的加载角θⅡ的近似计算公式.对于在斜坡载荷作用下的复合型断裂,Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子具有相似的时间历程曲线,其比值逐渐趋近于一个常数.本文给出了不同无量纲裂纹长度的试样在不同加载角下对应的Ⅰ、Ⅱ型无量纲应力强度因子的比值KⅠ(t)/KⅡ(t)(该比值称为复合比),利用该复合比,可以通过应变能密度因子准则求出试样的起裂角β0,得到的结果与文献给出的试验结果吻合得很好.

分布载荷加载下中心直裂纹巴西圆盘的断裂参数研究

为研究分布载荷加载对中心直裂纹巴西圆盘试样断裂参数的影响,综合运用复变函数理论及权函数方法,在推导出5种形式分布载荷加载下中心直裂纹巴西圆盘(简称CCBD)试样的任意I-II型断裂参数解析解的基础上探究接触载荷分布形式及分布角度对I、II型应力强度因子及T应力的影响。研究结果表明:当接触载荷的分布角度及裂纹相对长度较大时,接触载荷的分布形式对几何参数YI、YII及T^(*)的影响较显著;纯I型断裂的YI、T^(*)及纯II型断裂的YII均随接触载荷分布角度的增大而减小,而纯II型断裂的T^(*)却随接触角度的增大而增大;当接触载荷形式为常数函数时,载荷分布角度对几何参数的影响最大,而四次函数下,载荷分布角度对几何参数的影响相对最小;纯II型断裂角度受接触载荷分布形式及分布角度影响较小,而中心裂纹相对长度对其影响较显著。

考虑端部摩擦的中心直裂纹巴西圆盘断裂参数解析解

运用权函数法推导出考虑加载端摩擦的四种形式分布载荷加载下,中心直裂纹巴西圆盘试样在任意Ⅰ/Ⅱ复合型断裂模式下Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子及T应力的解析解,并探究了端部摩擦及载荷分布角度对断裂参数的影响.研究结果表明:(1)当中心裂纹相对长度β较小时,纯Ⅰ型、纯Ⅱ型断裂的Y_(Ⅰ)、Y_(Ⅱ)及T*(分别是量纲为一的Ⅰ型、Ⅱ型应力强度因子及T应力)均随摩擦系数及载荷分布角度增大而减小;但是,当β较大时,摩擦系数增大可使纯Ⅰ型Y_(Ⅰ)增大,而载荷分布角度增大可使纯Ⅱ型T*增大.(2)接触载荷分布形式为常数函数时,载荷分布角度对断裂参数的影响最显著,而四次函数下其对断裂参数的影响相对最小.(3)当β较小时,纯Ⅱ型加载角度随载荷分布角度增大而减小;当β较大时,其随载荷分布角度增大而增大;摩擦系数增大可使纯Ⅱ型加载角度增大.

基于颗粒流的直切槽式巴西圆盘裂纹扩展分析

利用颗粒流程序(PFC)对直切槽式圆盘试样进行巴西试验模拟,分析了不同的裂隙倾角和裂隙长度对直切槽式圆盘试样裂纹扩展规律的影响。根据起裂位置的不同,主裂纹可分为从裂隙尖端萌生的Ⅰ型主裂纹和从裂隙尖端一定距离处萌生的Ⅱ型主裂纹;次生裂纹可分为从加载点附近萌生的Ⅰ型次生裂纹和从远离加载点的一侧萌生的Ⅱ型次生裂纹。当裂隙长度保持不变而增大裂隙倾角时,主裂纹从Ⅰ型过渡为Ⅱ型,次生裂纹则从Ⅰ型转变为Ⅰ型和Ⅱ型共存,最后又变为Ⅰ型。当裂隙角度保持不变而增大裂隙长度时,主裂纹保持不变,次生裂纹则由Ⅰ型逐渐过渡为Ⅰ型和Ⅱ型共存。另外,当径向应力达到峰值应力之后,试样内会有大量的微裂纹萌生、扩展,造成了圆盘试样的破坏。从力链和能量角度来看,巴西圆盘试样的破裂过程是试样内部拉应力集中产生的颗粒间黏结破裂以及应变能释放的过程。

圆孔内单边(或双边)裂纹平台巴西圆盘应力强度因子的全面标定

虽然径向压缩含内单边裂纹的圆环型试样已有学者进行了分析,但在该试样上增加有益于加载的平台,就形成了新的试样——圆孔内单边裂纹平台巴西圆盘(holed single cracked flattened Brazilian disc,HSCFBD),并对其进行了研究.此外,对圆孔内(双边)裂纹平台巴西圆盘(holed cracked flattened Brazilian disc,HCFBD)做了进一步研究.通过有限元分析,对含有不同内外半径比、无量纲裂纹长度、平台角的HSCFBD和HCFBD的无量纲应力强度因子Y进行了全面标定,给出Y的曲线和拟合公式,拟合公式计算结果与数值标定结果相对误差在±1.39%以内.分析了试件形状参数对应力强度因子的影响:内外半径比越大,平台角越小,无量纲应力强度因子越大.根据应力强度因子的变化规律,推荐了适合测试Ⅰ型断裂韧度的HSCFBD和HCFBD的参数.进行了HCFBD的初步试验,还用国际岩石力学学会建议的人字形切槽巴西圆盘做了对比试验.

用直裂缝平台巴西圆盘确定混凝土的动态起裂韧度

采用一种直裂缝平台巴西圆盘试件,在分离式霍普金森压杆系统上研究了混凝土动态起裂韧度的测试方法。该方法基于一维应力波理论,利用压杆上的应变信号计算试件所受的动态冲击载荷,结合动态有限元法求得试件相应的动态应力强度因子,再由试件上应变片测得的起裂时间对应的临界动态应力强度因子,即为混凝土的动态起裂韧度。试验表明,混凝土的动态起裂韧度高于在材料试验机上测得的静态断裂韧度,在动态加载情况下,圆盘试件除在预制裂缝方向产生与静态加载一样的裂缝扩展外,还产生大致平行于预制裂缝方向的多重裂缝扩展破坏现象。试件破坏模式、临界破坏时间等是影响混凝土材料动态起裂韧度测试结果的重要因素。

中心裂纹巴西圆盘压缩载荷下T应力研究

为了研究中心裂纹巴西圆盘试件在压缩载荷作用下T应力的解析计算方法,通过权函数法推导出集中载荷作用下T应力的显式表达式,进而得到分布载荷作用下的T应力表达式。与边界配位法进行对比,所得公式优点在于任意相对裂纹长度和任意加载角下的T应力值都能较容易的精确得到。进一步分析表明,分布载荷与集中载荷作用下T应力的偏差随着载荷分布角的增加而增加。集中载荷作用下,相对裂纹长度固定时,T应力随着加载角的增大而增大。中心裂纹巴西圆盘纯I型与纯II型断裂试验时,大多数情况下的T应力都为负值。T应力值对中心裂纹巴西圆盘测定断裂韧度试验有影响,想要通过使T应力为0来消除这种影响是很难达到目的的。

中心直裂纹半圆盘试样的石灰岩断裂韧度尺寸效应试验研究

为了考察试样尺寸和预制裂缝长度对岩石断裂韧度测试值的影响,采用4种圆盘半径分别为25.0、37.5、50.0、75.0 mm,预制裂缝长度与圆盘试样半径比值(无量纲裂缝长度)在0.3～0.7范围内的中心直裂纹半圆盘石灰岩试样(NSCB)进行了三点弯曲断裂试验。结果表明:NSCB试样的破坏过程表现出明显的"脆性"破坏特征。与预制裂缝长度相比,试样尺寸对峰值载荷和载荷-位移曲线的形态影响更显著;随着试样尺寸的增加,试样的断裂韧度测试值不断增加,增加幅度随着预制裂缝长度的增加而加剧;当试样尺寸一定时,随着无量纲裂缝长度的增加,断裂韧度测试值有一定程度降低;为减小尺寸效应的影响,建议采用圆盘半径大于37.5 mm,无量纲预制裂缝长度范围在0.4～0.6内的NSCB试样测试岩石的断裂韧度。所得结果为推广NSCB试样国际建议方法及准确测试岩石的断裂韧度提供了一定的参考。

混凝土直切槽平台巴西圆盘冲击劈裂拉伸断裂特性试验和数值模拟研究

采用变截面霍普金森压杆(SHPB),对高速冲击荷载下混凝土的断裂特性和裂纹演化进程进行了研究。对含复合型裂纹直切槽平台巴西圆盘(CSTFBD)进行劈裂拉伸试验,并结合理论研究了不同水灰比、不同应变率、不同预设裂纹长度和倾角对裂纹分布及断裂韧性的影响;采用扩展有限单元法(XFEM)模拟了具有不同预设裂纹倾角试件的开裂进程,得出开裂过程中试件内部的应力分布情况。结果表明,复合断裂韧性比对预制裂纹倾角的变化敏感,与裂纹长度和倾角呈负相关,而与应变率无关;次生裂纹的开裂并非发生在预设裂尖处,且裂纹倾角越大,裂尖应力集中越小、主裂纹发展越缓慢。

基于颗粒流的带中心孔巴西圆盘试样裂纹扩展分析

为研究带中心孔巴西圆盘的劈裂过程,利用颗粒流法分析不同孔径的带中心孔巴西圆盘的裂纹扩展规律和机理。结果表明,不同孔径的巴西圆盘断裂模式有一定差异,主裂纹均从孔洞在加载方向的两端萌生并沿加载方向扩展。当中心孔径较小时,次生裂纹从加载点附近萌生并与主裂纹发生连通作用,圆盘试样破裂分成两半;当中心孔径较大时,次生裂纹从加载点的一侧萌生并向中心孔方向扩展,圆盘试样劈裂成4块。带中心孔巴西圆盘的劈裂过程可分为弹性变形阶段、主裂纹的萌生和稳定扩展阶段、主裂纹的扩展失稳阶段和次生裂纹扩展失稳阶段等4个阶段。从应力场角度来看,巴西圆盘的劈裂过程是拉应力集中区不断转移并产生新的微拉裂纹,大量微裂纹萌生、扩展和贯通形成宏观裂隙的过程。从能量角度来看,巴西圆盘的劈裂破坏过程是岩石从受荷初期应变能不断积累,到达峰值强度后应变能瞬时释放并伴随耗散能急剧增加的过程。

用圆孔内单边裂纹平台巴西圆盘和实验-数值-解析法确定砂岩的动态起裂和扩展韧度

在I型(张开型)动态断裂实验中,利用大直径(?100 mm)分离式霍普金森压杆径向冲击圆孔内单边裂纹平台巴西圆盘试样。考虑了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,用实验-数值-解析法确定了高加载率和高裂纹扩展速度情况下,砂岩的动态起裂韧度和动态扩展韧度。由动态实验获取试样的动荷载历程,采用裂纹扩展计(Crack Propagation Gauge,CPG)测定试样断裂时刻和裂纹扩展速度,获得裂纹扩展速度对应的普适函数值。然后将动荷载历程带入到有限元软件中进行动态数值模拟,求出静止裂纹的动态应力强度因子历程,再用普适函数值对其进行近似修正。最后根据试样的起裂时刻和穿过CPG中点的时刻,由相应的动态应力强度因子历程分别确定砂岩的动态起裂和动态扩展韧度,它们分别随动态加载率和裂纹扩展速度的提高而增加。

中心直裂纹圆盘无量纲应力强度因子获取精度研究

岩石断裂韧性是岩石抵抗裂纹扩展能力的表征,而无量纲应力强度因子是计算断裂韧性的关键参数,目前众多国内外学者采用Atkinson给出的中心裂纹圆盘试件的近似公式获取中心直裂纹圆盘的无量纲应力强度因子。对Atkinson给出的无量纲应力强度因子近似公式及中心裂纹圆盘试件的级数解精度进行了研究,并给出了较广范围的产生纯Ⅱ型裂纹加载条件,还采用有限元方法标定了不同预制裂纹宽度时中心直裂纹圆盘Ⅰ型裂纹的无量纲应力强度因子。分析结果表明:YⅠ随着相对裂纹宽度增大逐渐减小,且当相对裂纹宽度大于0.01后,YⅠ变化幅度逐渐减小;不同裂纹宽度条件下,YⅠ随加载角变化的规律相同。当裂纹宽度仅为0.1 mm时,其无量纲应力强度因子解析解与数值解会产生很大偏差,因此在断裂韧性测试中应根据实测的裂纹宽度对无量纲应力强度因子进行标定。

数值模拟带裂纹中心开孔巴西圆盘的K因子公式

文章采用有限元方法对纯Ⅰ型单边裂纹及双边裂纹的中心开孔巴西圆盘应力强度因子(K因子)进行了数值模拟,运用量纲分析法,在大量算例的基础上总结其规律,拟合出纯Ⅰ型的K因子公式。该公式具有试样不受尺寸大小限制、适用范围广、精确度高等优点。在单边裂纹及双边裂纹的中心开孔巴西圆盘纯Ⅰ型试验中,当相对裂纹长度a/(R-r)为0.10～0.80,内外圆半径比a/R为0.05～0.60,拟合公式求得的数值和有限元模拟得到的数值误差在3%以内。通过对比相同条件下,双、单边裂纹中心开孔巴西圆盘K因子之间的比值关系,分析了单、双边裂纹相对长度及内外圆半径比对中心开孔巴西圆盘K因子影响的相对大小。

平台巴西圆盘复合型加载下T应力计算法

平台巴西圆盘(CFBD)具有避免加载点处应力集中、保证破坏由预制裂纹尖端处起始的优点,成为研究脆性材料断裂性能的常用试件之一。最近的研究发现,T应力也会影响材料断裂性能,但平台巴西圆盘并没有计算T应力的解析公式。使用解析分析与有限元数值分析相结合的方法,对复合型加载条件下平台巴西圆盘试件的T应力进行了计算,并对误差进行了系统的分析。结果表明,在一定载荷分布角内相对裂纹长度?≤0.65时,不管是纯I、纯II还是复合型加载条件下平台巴西圆盘计算的T应力都可以用中心裂纹巴西圆盘均布载荷下T应力计算公式来计算;T应力相对误差随着相对裂纹长度的增加而增加。

一类非均布载荷下中心裂纹圆盘T应力分析

实际结构中,岩石常承受非均布载荷作用;并且试验中,集中力作用下往往会存在微小的分布角,这一载荷分布也是非均匀分布的.基于此类情况提出一类非均布载荷,这种载荷为三角函数形式,在分布角的中间压力最大,然后向两边逐渐减小直至为0.运用径向集中压力下中心裂纹巴西圆盘T应力解析公式,在分布角范围内积分获得这类非均布载荷下试件的T应力解析解,并同时进行有限元分析获得数值解.通过比较这两种结果,发现二者非常吻合,相互验证了各自分析的正确性.此外,与均布力作用相比,同等条件下此类非均布载荷作用的无量纲T应力值更接近集中力作用的值,而且两者的数值误差相当小.进一步论证了实际试验中采用集中力加载的T应力公式是正确与合理的.

岩石巴西劈裂强度与裂纹扩展颗粒尺寸效应研究

基于一组经室内巴西试验结果标定的类岩石材料细观参数,通过颗粒流程序(PFC)建立圆盘试样离散元模型,对含不同颗粒粒度中心直切槽圆盘试样进行巴西劈裂模拟,分析颗粒尺寸对荷载-位移曲线、拉伸强度和破裂模式的影响,揭示裂纹扩展过程中细观力场、微裂纹以及能量演化规律。研究结果表明:切槽圆盘试样荷载-位移曲线可分为单峰值(type I)、峰值之后软化(type II)以及峰值之后强化(type III)3种;切槽圆盘试样拉伸强度显著比完整圆盘的低,降幅与切槽倾角和颗粒半径相关;当切槽倾角不变时,拉伸强度总体上随着颗粒半径的增大而增大;而当颗粒半径不变时,拉伸强度随着切槽倾角的增大而减小;当切槽倾角相同时,不同颗粒半径中心直切槽圆盘试样破裂模式显著不同,颗粒尺寸主要影响中心直切槽圆盘试样次生裂纹的萌生和扩展;边界对试样作的功首先用于克服颗粒间黏结以产生裂纹,裂纹在应变能的作用不断扩展,在裂纹产生之后,摩擦能才开始起作用;颗粒的运动程度很低,因此动能很小;边界能与抗拉强度总体上呈正比关系,即边界能越大,拉伸强度越大。

复合型加载条件下扁平巴西圆盘应力强度因子计算方法

复合型裂纹的研究具有重要的工程实用价值。使用解析分析与有限元数值分析相结合的方法,对复合型加载条件下扁平巴西圆盘试件的应力强度因子进行了系统的分析。计算结果表明:在一定载荷分布角范围内,可使用分布载荷作用下巴西圆盘应力强度因子的公式去计算扁平巴西圆盘试件的应力强度因子;在断裂力学中圣维南原理依然成立。根据计算结果,推荐在扁平巴西圆盘断裂实验中使用载荷分布角为7.25°的扁平巴西圆盘试件。