压应力场中爆生裂纹分布与扩展特征实验分析

发布时间：2019-11-09 13:12

【摘要】：采用动静组合加载实验装置和数字激光焦散线实验系统,进行了0、3、6、9MPa等4种压应力场中PMMA试件的爆破致裂实验,分析了沿静态主应力方向扩展的裂纹运动学和力学行为。实验结果表明:首先,静态竖向载荷在预制炮孔周围产生应力集中,在炮孔壁上下端部处出现最大拉应力;随后,在动态爆炸载荷的叠加作用下,裂纹优先在炮孔壁上最大拉应力位置处起裂,并沿最大主应力方向扩展;裂纹扩展过程中,静态竖向载荷越大,裂纹扩展速度越大,且裂纹尖端应力强度因子值越大。
【图文】：

焦散线,实验系统

２实验设备与过程２．１实验设备２．１．１新型数字激光动态焦散线实验系统新型数字激光动态焦散线实验系统［１５－１６］由固体激光器、扩束镜、场镜、加载装置、同步控制开关、高速数码相机和计算机组成，如图３所示。该系统的核心是采用高速数码相机和固体激光器组成的高速摄影系统与焦散线实验方法相结合，实现了对高速冲击（爆炸）载荷下试件动态断裂过程的焦散线拍摄，并利用计算机软件对整个实验系统进行控制，实现了图像的数字化采集。图３新型焦散线实验系统Ｆｉｇ．３Ｏｐｔｉｃａｌｓｅｔｕｐｏｆｎｅｗ－ｔｙｐｅｃａｕｓｔｉｃｓｓｙｓｔｅｍ２．１．２动静组合加载系统图４动静组合加载系统Ｆｉｇ．４Ｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｌｏａｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍ动静组合加载系统采用自主设计的用于模拟深部岩石爆破致裂的光测力学实验装置［１７］。该装置由一个沿竖直单轴方向进行加载的静态加载装置和爆炸加载装置组成，如图４所示。采用液压千斤顶和压力传感器实现静态加载和应力采集；采用自主设计的药包（叠氮化铅），置于试件中的炮孔中，实现动态加载。２．２实验描述模型材料选用ＰＭＭＡ，其纵波波速ｖｐ＝２１２５ｍ／ｓ，横波波速ｖｓ＝１０９０ｍ／ｓ，弹性模量Ｅｄ＝３．５９５ＧＮ／ｍ２，泊松比υｄ＝０．３２，，光学常数ｃｔ＝０．０８ｍ２／ＧＮ。试件几何尺寸为３１５ｍｍ×２８５ｍｍ×１０ｍｍ。炮孔直径６ｍｍ，位于试件中央。为研究静态应力场对爆生裂纹分布和动态行为的影响，共设计了４组实验方案。其中，动态加载方案保持一致，装药均为１２０ｍｇ

照片,焦散线,炮孔,围压

对不同阶段围压载荷下哑铃状焦散斑的特征长度Ｄ进行测量，结果见表１。当竖向载荷为０ＭＰａ时，圆孔周围没有焦散斑，实验中在圆孔的右下方产生的阴影是由于受试件加工和光线与试件的夹角的影响所致。同时，依据公式（２）对不同围压载荷差值ｐ－ｑ下的焦散斑特征长度Ｄ进行理论计算，结果见表１。从表１可以看出，理论计算结果与实验结果吻合较好；产生的偏差，主要是由于高速相机像素有限带来的测量误差。图５围压作用下炮孔周围的焦散线Ｆｉｇ．５Ｃａｕｓｔｉｃｓｉｎｄｕｃｅｄｂｙｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ３．２炮孔周围裂纹分布图６给出了爆破后的试件照片。试件Ｓ１在单一爆破载荷作用下，炮孔近区由冲击波作用产生了密集细小的裂纹；在炮孔中远区内，形成了４条扩展较长的主裂纹，这主要是因为爆生气体的高压射流作用于孔壁，加大裂纹尖端的拉应力，驱动裂纹扩展；同时，爆炸应力波在裂纹尖端发生反射和绕射，产生拉应力波，进一步加剧裂纹尖端的拉应力集中，驱动裂纹扩展。试件Ｓ２、Ｓ３和Ｓ４上炮孔周围裂纹分布呈明显的规律性：只产生了两条爆生主裂纹，且方向沿最大主应力方向（竖向载荷方向），呈现了较好的控制爆破效果（切槽爆破和切缝药包）。试件Ｓ２、Ｓ３和Ｓ４受静态载荷和爆破载荷的双重作用：在静态竖向载荷作用下，炮孔周围首先发生应力集中，在最大主应力方向的炮孔壁上产生拉应力；然后，炮孔壁受爆破载荷的动态作用，在炮孔壁上的最大拉应力处优先产生裂纹，裂纹的产生和扩展释放了能量，间接减少了炮孔壁上其他部位裂纹的形成与扩展。图６爆破后的试件Ｆｉｇ．６Ｓｐｅｃｉｍｅｎｓａｆｔｅｒｂｌａｓｔｉｎｇ２６５第２期

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