用P-CCNBD试样测定岩石动态扩展韧度和观察动态止裂现象

关于动态断裂的全过程,包括动态起裂、扩展和止裂的报道在科学文献中受到日益增长的关注。研究岩石的动态扩展和动态止裂,用分离式霍普金森压杆径向冲击大直径(φ160 mm)的预裂人字形切槽巴西圆盘(pre-cracked chevron notched Brazilian disc——P-CCNBD)试样的试验,测定了大理岩的I型动态扩展韧度,而不仅是动态起裂韧度。确定的方法是试验―数值―解析法,而不是通常的准静态法,因为,大尺寸试样在动态试验中不满足应力平衡条件。裂尖起裂时刻和裂纹扩展速度采用应变片和裂纹扩展计监测;将有关试验数据,包括霍普金森压杆施加在试样上的的动态荷载输入有限元程序,对P-CCNBD进行三维动态数值模拟,再结合普适函数的半解析修正,得到动态应力强度因子的时间历程。结果表明,P-CCNBD大理岩试样的动态起裂韧度随加载率的增大而增大,试样的动态扩展韧度略低于动态起裂韧度,且扩展韧度随裂纹扩展速度的加快而增大。此外,对裂纹扩展速度振荡和扩展路径曲折现象进行了分析,讨论了P-CCNBD试样实现动态止裂的可能性。

岩石偏心圆孔单裂纹平台圆盘的动态裂纹扩展与止裂

针对平台圆环构型的优点,提出偏心圆孔单裂纹平台圆盘(cracked eccentrically holed flattened disc,CEHFD),该试样具有更长的断裂路径。利用霍普金森压杆加载系统,径向冲击CEHFD试样,完成Ⅰ型动态断裂实验。砂岩试样表面粘贴应变片和裂纹扩展计,用于监测裂纹动态起裂、扩展和止裂的全过程。实验表明,在整个断裂过程中,裂纹非匀速扩展,裂纹扩展速度在裂纹起裂后加速上升,在裂纹止裂前有明显的减速,与地震时断层的动态破裂全过程完全吻合。采用实验-数值-解析法得到动态应力强度因子,其时间历程呈现先增大后减小的趋势。根据断裂过程不同时刻,得到相应的动态起裂韧度、扩展韧度及止裂韧度。在动态断裂全过程中,动态扩展韧度为速度的函数,变化趋势与速度一致,随着时间先增大后减小;动态起裂韧度大于动态止裂韧度,止裂韧度随着裂纹最大扩展速度的增大而降低,并且有较大的离散性。

弹塑性材料动态起裂止裂和裂纹稳态扩展轨迹的试验研究

利用一维试验原理 ,在冲击拉伸试验装置上实现了周边切口短圆柱试件的动态起裂和动态止裂试验 ,利用止裂试验中不同的裂纹止裂长度Δa和止裂点处的总体柔度 ,拟合一标定曲线 ,根据 P δ曲线上每一点的总体柔度由标定曲线来确定裂纹的稳态扩展轨迹 ,从而得到裂纹的扩展速度 .

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.

冲击加载下的砂岩动态断裂全过程的实验和分析

采用圆孔内单边裂纹平台巴西圆盘（HSCFBD）新型试样在直径为100 mm的分离式霍普金森压杆上进行径向冲击加载,完成I型动态断裂实验,首次研究了砂岩的动态断裂全过程。实验表明,在低加载气压（0.16-0.17 MPa）驱动炮弹条件下,炮弹撞击速度为3.7-4.4 m/s,检测到试样的破裂历经裂纹的动态起裂、扩展和止裂3个阶段,止裂后到第2次起裂开始,裂纹停滞较长一段时间。采用裂纹扩展计测得裂纹起裂、扩展和止裂完整过程的瞬时时间,以此确定试样的动态起裂时刻、裂纹扩展速度和止裂时刻,并运用实验-数值-解析法分别得到砂岩的动态起裂韧度、扩展韧度和止裂韧度。从微观角度分析了动态起裂韧度和起裂时间的加载率效应。最后,初步讨论了试样内应力波反射对止裂的影响。

动态裂纹扩展韧性 K_(ID) 的估算及方法的评估

通过对３０ＣｒＭｎＳｉ２Ａ钢制成的ＤＣＢ（带裂尖小孔）试件的试验结果和利用动态有限元法（ＤＦＥＭ）与远场路径无关的Ｊ′积分相结合的方法计算了动态裂纹扩展韧性。较全面地对各种估算ＫＩＤ的工程方法进行了分析比较和评估，讨论了使用范围。此外，改进了Ｋａｎｎｉｎｅｎ的半经验公式，使它能对于不同泊松比的材料能方便地估算极限速度ＶＬ。同时，指出材料常数ｍ应与裂纹的初始长度和止裂长度ａａ及裂尖半径有关，给出了计算公式，使得估算ＫＩＤ更为简便和合理。

基于VB-SCSC岩石试样的动态断裂韧度测试方法研究

为了对扩展裂纹进行止裂,对SCSC构型试件进行改进,提出V型边界侧开单裂纹半孔板(V-shape boundary single cleavage semi circle specimen,VB-SCSC)构型试件,该试件具有V型的底部边界,在冲击载荷下产生倾斜向上的压缩波,该压缩波的水平分量对扩展裂纹具有压缩作用,进而对扩展裂纹进行止裂。实验采用中低速落锤冲击实验装置进行,利用裂纹扩展计(crack propagation gauge,CPG)测试裂纹的起裂及扩展时间,同时测试裂纹的扩展速度。采用3种V型底部的夹角,即120°,150°及180°(平的底部),进行实验研究,发现前2种试件均具有止裂功能,并用有限差分软件AUTODYN进行了模拟计算,其结果与实验结果基本一致。利用有限元软件ABAQUS计算裂纹的动态应力强度因子,并通过普适函数进行修正,最后通过裂纹起裂时间及扩展时间确定裂纹的动态断裂韧度。结果表明120°VB-SCSC构型试件具有较好的止裂功能,适合于裂纹动态扩展行为研究及动态断裂韧度的测试;动态扩展韧度与裂纹的扩展速度成反比。