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。

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.

对圆盘、圆环和圆孔研究与应用的感悟

Hertze,Michell和Timoshenko等力学大师得到圆盘和圆环的弹性力学解;巴西、日本、英国和美国的先驱学者先后提出基于圆盘和圆环这两种构形的试样测试岩石、混凝土等脆性材料的拉伸强度的方法.作者在这些大师和先驱者工作的基础上,提出平台巴西圆盘(flattened Brazillian disc,FBD),中心圆孔平台巴西圆盘(holed cracked flattened Brazilian disc,HCFBD)和压缩单裂纹圆孔板(single crack drilled compression,SCDC)等试样和相应的测试方法,对国际岩石力学学会(International Society for Rock Mechanics,ISRM)建议的测试拉伸强度和断裂韧度的方法做出了改进,尤其重要的是扩展到动态力学性能的测试,包括动态起裂,动态裂纹扩展和止裂.这些研究工作得益于作者讲授《弹性力学》和《断裂力学》两门基础课以及指导研究生,说明教学与科研是相辅相成的.

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。

用应变片法确定混凝土动态起裂时间的研究

在混凝土等准脆性材料的动态起裂韧度K_(1d)测试中,准确确定试件裂尖的起裂时间是测试工作的关键。采用分离式霍普金森压杆系统,对圆孔裂纹平台巴西圆盘混凝土试件进行动态径向冲击试验,通过在裂尖粘贴应变片的方法来确定起裂时间。讨论了应变片在裂纹尖端的粘贴位置、粘贴方向等因素对起裂时间测试值的影响,结果表明裂尖应变片的最佳粘贴方式是:在裂纹延长线上或在裂尖并与裂纹垂直的线上,都距离裂尖3 mm左右,且粘贴方向与裂纹延长线垂直。给出了考虑贴片位置和试件厚度的起裂时间计算公式。