基于3D-ILC球体45°三维双内裂纹复合断裂研究
发布时间：2021-11-10 00:30
断裂力学是各领域基础科学,材料内裂纹相互作用是断裂力学的重要研究领域,但目前球体内裂纹相互作用研究成果较少。基于三维激光疲劳内裂纹（3D-ILC）技术,在对球体试样表面无任何损伤的情况下,制作三维平行纯内裂纹,开展45°倾角平行双内裂纹单轴压缩试验,对双内裂纹的裂纹扩展过程、应力双折射规律、断口特征、破坏形态、相互作用等多方面开展研究,进行含双内裂纹Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型圆球断裂数值模拟,分析KⅠ、KⅡ、KⅢ分布规律,与试验相符。结果表明:（1）球体双内裂纹在单轴压缩下之间发生屏蔽作用,主裂纹面穿过两预制内裂纹;（2）翼型裂纹光滑区呈现Ⅰ-Ⅱ型裂纹断口特征,翼型裂纹侧面撕裂区呈现"矛状"Ⅲ型裂纹特征;（3）基于M积分计算的KⅠ、KⅡ、KⅢ分析与基于断裂特征的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型裂纹类型分析一致。3D-ILC技术可用于球体内裂纹相互作用断裂试验研究,球体内裂纹试验与理论分析为脆性材料内裂纹扩展及相互作用研究提供试验与理论参考。
【文章来源】：岩土力学. 2019,40(12)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
图4位移力值曲线Fig.4Displacement-forcecurve
不相交。两条裂纹分别为上裂纹、下裂纹（为方便后续对两条内裂纹进行区分），裂纹直径约22mm，两裂纹间距为15mm，裂纹面与水平向倾角为45o（与垂直加载方向夹角为45o），两裂纹中心连线中点为球体的圆心。图1含双内裂纹圆球试样Fig.1Spherespecimenwithdoubleembeddedcracks2.5加载仪器系统试验仪器采用WHY3000伺服压载系统，单轴压缩加载，力值控制模式，速率0.05kN/s；周边设置高清摄像头实时捕捉监测裂纹不同角度的动态扩展变化；放置聚光灯调节光线。试验仪器布置如图2所示。图2加载系统Fig.2Loadingsystem由于脆性试验中应力集中较为敏感，试样端部易因不平整或不光滑而产生应力集中影响试验质量，为避免应力集中现象，同时减少端部摩擦效应，在试样顶部与底部各放置一块厚度3mm的光滑PMMA板。2.6双折射效应的应用玻璃等非晶介质在无应力状态下通常呈现光学各向同性，当外力作用施加，材料内部产生应变，折射率特征因此发生改变，显示出光学各向异性，这与应力分布有关，即当平面偏振光垂直射入有内应力的玻璃时，将产生传播速度不同的两束光线，遵循折射定律的寻常光o和不遵循折射定律的非常光e，此为应力双折射现象。o和e频率、振动方向相同，存在固定相位差，可产生干涉条纹，由此效应可实现试样端部、裂纹周围应力场分布及动态变化观测，判定应力集中，并纠正试验偏心。依据应力光学定律[18]：当入射光入射试验对象时，由于双折射效应，主应力与相应的折射率有如下关系：121212nn(CC)()（1）式中：1、2分别为试样在压载作用下主应力；n1、n2分别为1
4736岩土力学2019年图6翼裂纹分区图Fig.6Partitionmapofwingcracks倾向于纯I型裂纹扩展，与试样破坏时出现竖直裂纹现象一致。4.4III型裂纹下twisthackle特征（撕裂区）撕裂区细节形态见图7，外文称“twisthackle”[15]、“lances”[21]，中文称“矛头”、“鱼叉”、“河流”。图7矛状裂纹Fig.7Partitionmapofspearcracks撕裂区裂纹每个裂隙表面都从原来的裂隙平面上旋转，以响应主张力轴的横向旋转或扭转发生改变，存在多级支点，靠近内裂纹尖端侧数量密集，线形较细，外侧边缘线形较粗。撕裂区裂纹扩展的局部方向是从线形数量较多的分支特征向收敛性和线形数量较少的方向发展，沿着该扩展方向，裂纹扩展路径清晰可见，由多并一，逐渐汇流、合并，汇集为较粗的母支，形成类似矛状裂纹特征。翼裂纹外侧边缘呈不连续缺口，明显在内裂纹平面法线方向以及平行于内裂纹平面共同受到剪切撕裂作用，发生错动，通过裂纹前端的断裂而容纳成许多平行但非共面的节段。然后是横向断裂，允许分开的裂纹连接，从而在矛状裂纹边缘形成“线”或“台阶”，认为撕裂区裂纹是在I-II-III复合型裂纹作用下所产生。5破坏形态含45o内裂纹试样最终破坏形态如图8所示。裂纹类型可分为：上翼裂纹，下翼裂纹，主裂纹。临近峰值荷载时，下裂纹下端扩展速度加快，迅速向试样底端加载点逼近，翼裂纹影响范围越来越大，进而主裂纹面在底端加载点附近产生，连通上、下裂纹后迅速向顶端加载点扩展，最终将整个球体劈裂。此过程中，主裂纹面在靠近上、下翼裂纹面时，发生局部弯曲，与翼裂纹面局部重合，并在试样断口上、下端形成明显凹凸弧状曲面，凹面部分光滑平整，凸面部分认为由于受到二次冲击破坏形成弧状
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于3D-ILC含不同角度内裂纹圆盘断裂特性研究[J]. 王海军,张九丹,任然,汤雷,郁舒阳,钟凌伟,张珂. 岩土工程学报. 2019(09)
[2]基于3D-ILC含内裂纹孔口脆性固体断裂特性试验[J]. 王海军,郁舒阳,任然,汤雷,李欣昀,贾宇. 岩土力学. 2019(06)
[3]无序性对脆性材料冲击破碎的影响[J]. 陈兴,马刚,周伟,赖国伟,来志强. 物理学报. 2018(14)
[4]脆性岩石中裂纹速度效应的试验研究[J]. 刘彩平,段庆全. 金属矿山. 2010(04)
[5]含微裂纹材料的损伤理论[J]. 高玉臣,朱葳. 力学学报. 1987(06)
本文编号：3486209
【文章来源】：岩土力学. 2019,40(12)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
图4位移力值曲线Fig.4Displacement-forcecurve
不相交。两条裂纹分别为上裂纹、下裂纹（为方便后续对两条内裂纹进行区分），裂纹直径约22mm，两裂纹间距为15mm，裂纹面与水平向倾角为45o（与垂直加载方向夹角为45o），两裂纹中心连线中点为球体的圆心。图1含双内裂纹圆球试样Fig.1Spherespecimenwithdoubleembeddedcracks2.5加载仪器系统试验仪器采用WHY3000伺服压载系统，单轴压缩加载，力值控制模式，速率0.05kN/s；周边设置高清摄像头实时捕捉监测裂纹不同角度的动态扩展变化；放置聚光灯调节光线。试验仪器布置如图2所示。图2加载系统Fig.2Loadingsystem由于脆性试验中应力集中较为敏感，试样端部易因不平整或不光滑而产生应力集中影响试验质量，为避免应力集中现象，同时减少端部摩擦效应，在试样顶部与底部各放置一块厚度3mm的光滑PMMA板。2.6双折射效应的应用玻璃等非晶介质在无应力状态下通常呈现光学各向同性，当外力作用施加，材料内部产生应变，折射率特征因此发生改变，显示出光学各向异性，这与应力分布有关，即当平面偏振光垂直射入有内应力的玻璃时，将产生传播速度不同的两束光线，遵循折射定律的寻常光o和不遵循折射定律的非常光e，此为应力双折射现象。o和e频率、振动方向相同，存在固定相位差，可产生干涉条纹，由此效应可实现试样端部、裂纹周围应力场分布及动态变化观测，判定应力集中，并纠正试验偏心。依据应力光学定律[18]：当入射光入射试验对象时，由于双折射效应，主应力与相应的折射率有如下关系：121212nn(CC)()（1）式中：1、2分别为试样在压载作用下主应力；n1、n2分别为1
4736岩土力学2019年图6翼裂纹分区图Fig.6Partitionmapofwingcracks倾向于纯I型裂纹扩展，与试样破坏时出现竖直裂纹现象一致。4.4III型裂纹下twisthackle特征（撕裂区）撕裂区细节形态见图7，外文称“twisthackle”[15]、“lances”[21]，中文称“矛头”、“鱼叉”、“河流”。图7矛状裂纹Fig.7Partitionmapofspearcracks撕裂区裂纹每个裂隙表面都从原来的裂隙平面上旋转，以响应主张力轴的横向旋转或扭转发生改变，存在多级支点，靠近内裂纹尖端侧数量密集，线形较细，外侧边缘线形较粗。撕裂区裂纹扩展的局部方向是从线形数量较多的分支特征向收敛性和线形数量较少的方向发展，沿着该扩展方向，裂纹扩展路径清晰可见，由多并一，逐渐汇流、合并，汇集为较粗的母支，形成类似矛状裂纹特征。翼裂纹外侧边缘呈不连续缺口，明显在内裂纹平面法线方向以及平行于内裂纹平面共同受到剪切撕裂作用，发生错动，通过裂纹前端的断裂而容纳成许多平行但非共面的节段。然后是横向断裂，允许分开的裂纹连接，从而在矛状裂纹边缘形成“线”或“台阶”，认为撕裂区裂纹是在I-II-III复合型裂纹作用下所产生。5破坏形态含45o内裂纹试样最终破坏形态如图8所示。裂纹类型可分为：上翼裂纹，下翼裂纹，主裂纹。临近峰值荷载时，下裂纹下端扩展速度加快，迅速向试样底端加载点逼近，翼裂纹影响范围越来越大，进而主裂纹面在底端加载点附近产生，连通上、下裂纹后迅速向顶端加载点扩展，最终将整个球体劈裂。此过程中，主裂纹面在靠近上、下翼裂纹面时，发生局部弯曲，与翼裂纹面局部重合，并在试样断口上、下端形成明显凹凸弧状曲面，凹面部分光滑平整，凸面部分认为由于受到二次冲击破坏形成弧状
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于3D-ILC含不同角度内裂纹圆盘断裂特性研究[J]. 王海军,张九丹,任然,汤雷,郁舒阳,钟凌伟,张珂. 岩土工程学报. 2019(09)
[2]基于3D-ILC含内裂纹孔口脆性固体断裂特性试验[J]. 王海军,郁舒阳,任然,汤雷,李欣昀,贾宇. 岩土力学. 2019(06)
[3]无序性对脆性材料冲击破碎的影响[J]. 陈兴,马刚,周伟,赖国伟,来志强. 物理学报. 2018(14)
[4]脆性岩石中裂纹速度效应的试验研究[J]. 刘彩平,段庆全. 金属矿山. 2010(04)
[5]含微裂纹材料的损伤理论[J]. 高玉臣,朱葳. 力学学报. 1987(06)
本文编号：3486209
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/lxlw/3486209.html
