纯剪应力状态下准脆性材料裂缝发育过程的图像及声发射研究
发布时间：2021-06-01 03:29
Ⅱ型裂缝作为一种滑动裂缝,实际包含了两种裂缝:一种是纯Ⅱ型裂缝,其边界未受任何正应力的影响;另外一种是压剪缝,其边界不仅受剪而且受压。压剪缝普遍存在于各种工程结构中,也较容易在实验室中实现。但对于纯Ⅱ型裂缝,却在实验室中极其罕见,很多所谓的纯Ⅱ型裂缝多为压剪缝甚至其它种类裂缝。这是由于:（1）纯Ⅱ型裂缝的实现首先要求裂缝尖端存在着一个纯剪应力状态,这对很多断裂实验是一个挑战;（2）更重要的是,纯剪应力状态下的初始裂缝是否一定沿着纯Ⅱ裂缝的方向发育扩展,本身就是一个疑问。多年的研究表明,很多准脆性材料的裂缝发育遵从最大环向应力准则,也就是最大拉伸应力准则。它同剪切破坏是相互冲突的。所以本文的研究目的是观察在纯剪应力状态下准脆性材料的裂缝发育过程,以理解其断裂破坏机理。实验采用一种Ⅱ型断裂测试方法,叫做双切边压缩实验（DENC）,其不仅实验过程相对简单,而且理论上预测了初始缝尖能够产生一个纯剪应力状态。在实验中数字图像相关法和声发射被用于监测裂缝发育过程。通过数字图像相关法获得的位移及应变场,缝尖纯剪应力状态的存在得到了证实。图像和声发射结果显示,砂岩和花岗石试件均会产生两个阶段的裂缝,第...
【文章来源】：中国石油大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
裂缝的三种基本类型：(a)张开型I型，(b)滑移型II型，(c)撕裂型III型Fig.1.1Threebasicfracturemodesofcracks:(a)Openingmode,(b)Slidingmode,(c)Tearing
中国石油大学（北京）硕士学位论文-3-部的变形及损伤情况[10]。通过光学和声学这两种探测手段的结合，对试件表面和内部同时进行观测，能够更好的判断裂缝的类型、断裂产生的位置以及裂缝发育的程度。图1.2双切边压缩实验DENCFig.1.2DoubleEdgeNotchedCompressionTest需要指出的是，在微尺度上，将断裂分化成某一种特定的模式是不可能的。此外，对I型和II型加载条件下声发射数据的分析，也表明即使宏观断裂沿着I型或II型的方向，微观上也都包含拉伸和剪切裂缝[11]。因此，岩石材料的断裂在微尺度上总是复合型，我们所研究的I型和II型裂缝都仅仅只是针对研究尺度远远大于岩石颗粒尺度的宏观而言。1.2国内外研究现状1.2.1纯剪应力状态下裂缝研究现状为了研究准脆性材料的II型剪切断裂，国内外研究者们提出了很多种理论模型，包括但不限于以下几种：
第1章绪论-4-图1.3几种不同的II型裂缝测试方法Fig.1.3ModeIItestingmethods图1.3中（a）是Iosipescu提出的四点剪切模型[12]，在长条形梁的中间对称的开两个槽，上下两个面对称的施加点载荷，Iosipescu认为其在中间相连部分会产生纯II型断裂。四点弯剪切模型一提出来便被认为是一种简单实用的II型裂缝测试方法，因而被广泛采用，金属、木材、玻璃、岩石、复合材料等等都用四点弯来测试II型断裂韧性[12–14]。但是Ingraffea从实验的角度指出对岩石类材料来说这不是一个II型剪切的破坏形式，在沿预制开槽尖端竖直方向存在一个夹角的方向上会出现裂缝，并且这条裂缝是拉伸裂缝，它会延伸并最终导致试件破坏，所以四点弯剪切模型是I型断裂，断裂行为应该用I型破坏准则来解释[15]。同时朱万成和唐春安采用了一种新的力学数值模型来模拟双边切口的断裂行为（DEN），也得出了混凝土的四点弯曲剪切模型主要是由拉伸损伤引起的结论[16]。图1.3中（b）是Mattock和Hawkins提出的push-shear模型[17]，用于测试强化混凝土的II型断裂韧性，他们认为此种模型能够在两个槽的尖端之间产生纯II型剪切破坏。试件两端的载荷既可以是压缩，也可以是拉伸。但是有限元分析表明，在这种模型的裂缝尖端存在拉伸应力，并且其和剪切应力处于同一数量级，所以这是复合型载荷作用下的破坏而不是纯II型破坏[18]。图1.3中（c）中这种punch-through矩形试件结构的II型应力强度因子是由Tada等人计算得出，他们发现此种结构的预制裂缝面上只有剪切应力而无拉伸应
本文编号：3209578
【文章来源】：中国石油大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
裂缝的三种基本类型：(a)张开型I型，(b)滑移型II型，(c)撕裂型III型Fig.1.1Threebasicfracturemodesofcracks:(a)Openingmode,(b)Slidingmode,(c)Tearing
中国石油大学（北京）硕士学位论文-3-部的变形及损伤情况[10]。通过光学和声学这两种探测手段的结合，对试件表面和内部同时进行观测，能够更好的判断裂缝的类型、断裂产生的位置以及裂缝发育的程度。图1.2双切边压缩实验DENCFig.1.2DoubleEdgeNotchedCompressionTest需要指出的是，在微尺度上，将断裂分化成某一种特定的模式是不可能的。此外，对I型和II型加载条件下声发射数据的分析，也表明即使宏观断裂沿着I型或II型的方向，微观上也都包含拉伸和剪切裂缝[11]。因此，岩石材料的断裂在微尺度上总是复合型，我们所研究的I型和II型裂缝都仅仅只是针对研究尺度远远大于岩石颗粒尺度的宏观而言。1.2国内外研究现状1.2.1纯剪应力状态下裂缝研究现状为了研究准脆性材料的II型剪切断裂，国内外研究者们提出了很多种理论模型，包括但不限于以下几种：
第1章绪论-4-图1.3几种不同的II型裂缝测试方法Fig.1.3ModeIItestingmethods图1.3中（a）是Iosipescu提出的四点剪切模型[12]，在长条形梁的中间对称的开两个槽，上下两个面对称的施加点载荷，Iosipescu认为其在中间相连部分会产生纯II型断裂。四点弯剪切模型一提出来便被认为是一种简单实用的II型裂缝测试方法，因而被广泛采用，金属、木材、玻璃、岩石、复合材料等等都用四点弯来测试II型断裂韧性[12–14]。但是Ingraffea从实验的角度指出对岩石类材料来说这不是一个II型剪切的破坏形式，在沿预制开槽尖端竖直方向存在一个夹角的方向上会出现裂缝，并且这条裂缝是拉伸裂缝，它会延伸并最终导致试件破坏，所以四点弯剪切模型是I型断裂，断裂行为应该用I型破坏准则来解释[15]。同时朱万成和唐春安采用了一种新的力学数值模型来模拟双边切口的断裂行为（DEN），也得出了混凝土的四点弯曲剪切模型主要是由拉伸损伤引起的结论[16]。图1.3中（b）是Mattock和Hawkins提出的push-shear模型[17]，用于测试强化混凝土的II型断裂韧性，他们认为此种模型能够在两个槽的尖端之间产生纯II型剪切破坏。试件两端的载荷既可以是压缩，也可以是拉伸。但是有限元分析表明，在这种模型的裂缝尖端存在拉伸应力，并且其和剪切应力处于同一数量级，所以这是复合型载荷作用下的破坏而不是纯II型破坏[18]。图1.3中（c）中这种punch-through矩形试件结构的II型应力强度因子是由Tada等人计算得出，他们发现此种结构的预制裂缝面上只有剪切应力而无拉伸应
本文编号：3209578
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