砂岩动态断裂速度、加速度和动态扩展韧度关系研究

发布时间：2020-08-11 23:42

【摘要】：国际著名断裂力学专家Karihaloo et al.(2015)在权威期刊International Journal of Fracture 50周年纪念刊上发表的邀请论文中指出,基于拉伸强度(而不是压缩强度)的混凝土结构设计更合理。岩石与混凝土同属于准脆性材料,对其拉伸强度研究难度大。岩石的拉伸强度和断裂韧度的测试方法,尤其是动态拉伸强度和动态断裂韧度测试方法,是固体力学等自然科学学科的前沿研究课题。在非定常速状态下动态裂纹的扩展过程更是世界级的热点问题。但由于精准测量裂纹高速扩展的技术并不成熟,研究材料断裂过程中加速度仍有困难,尤其是对非透明岩石类材料,至今岩石中裂纹非常速扩展的研究仍存在巨大的空缺。本文侧重研究岩石材料的I型动态断裂行为,初步探寻了II型动态断裂的有效试样。高度关注快速扩展裂纹尖端的运动情况,如裂纹动态起裂、扩展、裂纹扩展过程中裂纹的加速和减速过程。抛弃以往裂纹常速扩展的观点,研究裂纹扩展过程中速度变化以及加速度变化,监测反射应力波对裂纹扩展速度的影响;高加载率下,快速扩展裂纹尖端附近质点受到裂纹尖端应力集中区的影响,裂纹起裂后有一个明显的加速过程。本文研究分为两个部分:(1)岩石断裂的研究重心主要在I型断裂,但与自然界重大灾害紧密相关的岩体破坏主要是剪切破坏,目前在这方面取得的研究成果却远远少于I型断裂。为进一步探究II型断裂,为II型动态断裂实验提供依据。在以往研究的基础上,对方板类试样的裂纹位置进行改进,提出压缩偏心单裂纹圆孔板(Bias Single Cleavage Drilled Compression-BSCDC),采用有限元方法分析不同几何参数的BSCDC试样的应力分布,并标定BSCDC试样不同裂纹偏移距离条件下的无量纲应力强度因子,为复合型,纯II型动态断裂实验给出建议尺寸。(2)动态断裂的裂纹速度会出现振荡或变化,许多学者将其视为测量仪器的精度误差所致,而将裂纹仍旧看成平均意义上的常速扩展,虽然可简单地得到一些力学性质结果,但忽略了关键因素的影响。为全面研究I型动态断裂过程,着重针对裂纹扩展过程中速度,加速度与动态断裂韧度的关系研究,一改我们过去采用的压缩致拉为弯曲拉伸,提出基于岩芯的半圆孔圆盘弯曲(Semi-Circular Holed Disc Bend-SCHDB)试样。利用霍普金森压杆冲击SCHDB完成I型动态断裂,用砂岩试样表面粘贴的应变片和裂纹扩展计详尽监测裂纹的断裂过程。实验表明在裂纹起裂后,由于反射应力波的影响,导致裂纹扩展速度增大到临界值后上下振荡。采用实验-数值-解析法得到扩展裂纹的动态应力强度因子K_I~d(t),其时间历程呈现先增大后减小再增大的趋势。结果发现,即使裂纹扩展速度相同,减速过程的动态扩展韧度比加速过程的动态扩展韧度更大。最后,综合Freund和Fineberg的理论研究结果提出受裂纹扩展速度和加速度影响的能量释放率公式,实验结果也符合公式所揭示的规律。
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU45
【图文】：

变化曲线,裂纹长度,裂纹,变化曲线

非稳态断裂虑成一个载荷上升造成预先存在裂纹突然加速的过态：（1）无裂纹扩展时的加载；（2）裂纹的稳态扩展速度是一个常数）；（3）裂纹的非稳态扩展（裂纹扩roberg, 1999）。在之前的研究中，断裂力学研究主要裂纹稳态扩展以及动态冲击载荷作用下的裂纹稳态扩展过程中将裂纹扩展速度限制成一个常数，这个限理，但从物理学上考虑是不合适的（Freund, 1990）。速运动时，边值问题通常都被考虑为线性的，得到的的，这种问题在采用复变函数和积分变换技术来分析有效的。但当裂纹尖端运动速度不同时，裂纹尖端力相似，上述处理技术就不再适用，如图 1-2 所示。

有限元,量纲,长孔,强度因子

件的 plane82 平面应变单元划分网格单元，共 5386 个单元，16550 个节点。本文对=0.5~0.9，量纲一化裂纹长度 α=a/R=0.5~1强度因子 Yi的标定。介于以往研究 DCDC个尺寸 0.267，0.3 即可。II 型 SIF 表达式如下：( , ) ( , )i iPK Y i I IId w ( , ) ( I,II)iiK w dY iP 的应力强度因子；α 为量纲一化的裂纹长孔中心距离，ε=d/R；P 为施加在平台上的ε 的函数。图中 ε=d/R=0 的情况就是 SCD

示意图,加载装置,炮弹,和数

（2）已知测速区域长度，结合炮弹自身长度可精准计算出炮弹的冲击速度。炮弹入射杆透射杆vSGtSGi i(t) t(t)波形整形器吸能杆图 3-1 SHPB 装置加载示意图CPG r(t)SCHDB阻尼器Ultra-dynamic strainamplifierTransient wave recorderData processing systemlil1ltl2

【参考文献】