CCCD-SHPB动态断裂试验系统原理及数值分析

提出在分离式Hopkinson压杆 (splitHopkinsonpressurebar ,SHPB)上用中心裂纹圆盘 (centralcrackedcirculardisk ,CCCD)型试件形成CCCD SHPB试验系统来实施脆性材料的动态断裂试验。该系统的基本思想是基于SHPB的一维试验原理 ,得到中心裂纹圆盘型试件两端载荷的平均载荷 ;推广准静态的应力强度因子公式 ,并以此平均载荷代入以获得动态应力强度因子。对此动态断裂试验系统的三维动力学数值分析表明 ,CCCD SHPB动态断裂试验方法是有效的 。

应力脉冲对CCCD-SHPB试验系统测试结果影响的数值分析

3维动态有限元分析结果表明,脉冲上升沿时间、幅值及试件直径对CCCD-SHPB(central cracked circular disk-split Hopkinson pressure bar)动态断裂试验系统的试验结果有较大影响,改变脉冲上升沿时间或脉冲幅值可以得到不同加载速率下材料的动态断裂韧度。进一步计算结果表明,在动态加载的初期阶段,由于试件两边载荷不平衡,导致CCCD-SHPB动态断裂试验系统中存在与试件尺寸相关的特征时间ΔT,且ΔT近似等于应力波在试件中来回往返两次的时间;动态断裂试验时,试件从加载至断裂的时间应大于特征时间ΔT,否则试验结果不可靠。

试件几何尺寸和杆材对CCCD-SHPB试验系统测试结果影响的数值分析

为了分析CCCD-SHPB动态断裂试验系统试验结果的有效性,采用3维动态有限元方法分析了试件几何尺寸和入射杆、透射杆材料对实验结果的影响。分析结果表明,试件直径对CCCD-SHPB动态断裂试验系统的试验结果有较大影响,而入射杆和透射杆的波阻抗与试件的波阻抗是否匹配会影响试验结果的精度,但在一定尺寸范围内,试件厚度对试验结果影响较小。进一步计算结果表明,在动态加载的初期阶段,由于试件两边载荷不平衡,导致CCCD-SHPB动态断裂试验系统中存在与试件尺寸相关的特征时间ΔT,且ΔT近似等于应力波在试件中来回往返两次的时间;动态断裂试验时,试件从加载至断裂的时间应大于特征时间ΔT,否则试验结果不可靠。

采用CCCD-SHPB试验系统确定岩石的动态断裂韧度

鉴于目前岩石动态断裂韧度在研究方法上没有统一的标准,有必要对其进行研究。使用花岗岩制作中心裂纹圆盘试件,预制裂纹的宽度控制在1mm左右,在SHPB试验系统下进行动态冲击,得出试件两端的平均载荷带入到推广的中心裂纹圆盘试件应力强度因子计算公式算出动态断裂韧度。

加载速率对岩石动态断裂韧度影响的试验

采用CCCD-SHPB(Central Cracked Circular Disk-Split Hopkinson Pressure Bar)试验系统对花岗岩试件实施不同加载速率下的纯Ι型加载试验,测得平均载荷■随时间的变化关系.将实测的载荷代入到推广的中心裂纹圆盘试件应力强度因子计算公式,获得花岗岩在不同加载速率下的动态断裂韧度,揭示加载速率与动态断裂韧度的相关性.试验结果表明,加载速率为50～350GPa·m^(1/2)/s时,随加载速率的增加,断裂韧度呈现出线性上升趋势.

PMMA断裂韧度尺寸相关性的实验研究

为了研究断裂韧度的尺寸相关性,采用中心裂纹圆盘试件,在岛津材料试验机上对有机玻璃(PMMA)纯Ⅰ型、纯Ⅱ型准静态加载条件下的断裂行为进行了实验研究。结果表明,PMMA的断裂韧度与试件的裂纹相对长度α相关,且在试验尺寸范围内I型断裂韧度KIc和Ⅱ型断裂韧度KⅡc均随α增加而降低;KIc受α的影响相对较大,而KⅡc受α的影响相对较小。PMMA的Ⅱ型断裂韧度KⅡc小于I型断裂韧度KIc。

中心裂纹圆盘裂纹形状尺寸对应力强度因子的影响

采用有限元数值分析方法 ,分析了由脆性材料制成的中心裂纹圆盘试件 ,在复合模式加载条件下裂纹形状尺寸 ,尤其是裂纹宽度和中心小孔半径对应力强度因子的影响 .结果表明 :槽式和槽孔组合式裂纹圆盘试件 ,其I型无量纲应力强度因子FⅠ均比按理想裂纹推出的解析解大 ,而Ⅱ型无量纲应力强度因子FⅡ 均比解析解小 ;随着加载角度增加 ,FⅠ 的数值解与解析解的差值逐渐变小 ,而FⅡ 的差值逐渐变大 ;同时 ,随着裂纹槽宽度或中心小孔半径的增加 ,应力强度因子数值解与解析解之差逐步增加 .依据数值分析的结果 ,给出了这两类试件相对于理想中心裂纹圆盘试件应力强度因子解析解的修正公式 .

复合型加载条件下PMMA断裂行为的实验研究

给出一个中心裂纹圆盘断裂试验的较完整的试验技术,并用此试验技术在岛津材料试验机上对有机玻璃(polymethyl methacrylate,PMMA)这种典型的脆性材料成功地进行纯Ⅰ型、纯Ⅱ型和复合型加载条件下的断裂试验。试验结果表明,纯Ⅰ型、纯Ⅱ型及复合型加载条件下,载荷分布角γ大于8°,对KⅠ和KⅡ的试验结果有较大影响;纯Ⅰ型加载条件下裂纹是自相似扩展的,纯Ⅱ型和复合型加载条件下裂纹是非自相似扩展,且起裂始于切口端部的角点处。试验结果和有限元分析结果表明,最大周向拉应力准则对于预测非理想裂纹切口试件的开裂角仍然是有效的,但必须以实际试件切口端部角点处的应力场为依据。

中心裂纹圆盘应力强度因子的测试误差分析

本文在中心裂纹圆盘应力强度因子解析解的基础上,利用一阶微分法则,给出了与裂纹相对长度和加载角相关的应力强度因子(K 和K )的4个误差传递函数。这4个误差传递函数关于裂纹相对长度和加载角均是非线性的,它们既是误差分析的基础,又是合理确定裂纹相对长度和加载角的基础。分析结果表明,加载角的误差Δθ除了对纯 型K 的误差几乎没有影响,对纯 型K 影响较小外,对复合型K 、K 的误差均有较大影响。最后,本文建议裂纹相对长度的取值范围为0.4～0.6;还建议在复合型断裂试验时,必须依据对K 、K 的总体精度要求来严格控制加载角的精度。

岩石动态断裂韧度温度相关性的实验研究

利用CCCD—SHPB（CentralCrackedCircularDisk—SplitHopkinsonPressureBar）试验系统对花岗岩试件实施同一加载速率、不同温度下的纯I加载试验，进而研究环境温度对岩石类材料动态断裂性能的影响。实验过程中控制加载脉冲，使得测试试件的加载速率基本一致，测得不同温度下试件两端平均栽荷P随时间的变化关系，将最大P-max心裂纹圆盘应力强度因子墨公式，获得不同温度下中心裂纹巴西圆盘岩石试件的动态断裂韧度蜀。。测试结果表明，温度处于10—100℃时，花岗岩动态断裂韧度K-Id温度的升高逐步下降，近似呈线性关系。

中心裂纹圆盘断裂参数的有限元标定

圆盘试件作为最受研究人员青睐的式样类型,被广泛用于测试和研究脆性材料(如岩石、聚合材料及陶瓷等)的Ⅰ、Ⅱ型及复合型断裂韧性。Williams级数解的常数项,即平行于裂纹方向的T应力对裂纹的断裂行为存在很大影响,进一步的研究表明,裂纹尖端Williams级数解的更高阶非奇异项(n=3)对中心直裂纹圆盘断裂特征的影响同样显著。研究采用有限元法获得了裂纹尖端多个节点的位移值,建立超静定方程组,采用最小二乘法对其进行求解,对Williams级数解的奇异项应力强度因子KⅠ和KⅡ,常数项T应力以及更高阶系数A3和B3进行求解。最后,给出了不同相对裂纹长度a/R及裂纹倾角的中心裂纹圆盘裂纹尖端的应力强度因子K*Ⅰ及K*Ⅱ,以及更高阶项断裂参数A*3和B*3。结果表明:T*随裂纹倾角增大逐渐增大且保持为负值;B*3均为正值且随裂纹倾角的增大呈现先增大后减小的趋势;K*Ⅰ、A*3均随裂纹倾角的增大逐步减小,而K*Ⅱ随裂纹倾角的增大而增大;中心裂纹圆盘的纯Ⅱ型断裂裂纹倾角随相对裂纹长度的增大而减小,而Ⅱ型无量纲应力强度因子随裂纹长度的增大而增大。