基于3D-ILC含偏心内裂纹半圆弯拉断裂特性研究
发布时间：2021-09-06 15:41
断裂力学是各行业的基础学科之一。半圆弯拉（SCB）试验为该领域经典试验,目前含裂纹的SCB研究多为底部切口等表面裂纹或穿透型裂纹研究。内裂纹和内部类裂纹缺陷是材料的固有属性,但是对于SCB内裂纹扩展规律研究较少。基于3D-ILC （三维激光疲劳内裂纹）技术,分析了表面无任何影响的情况下凭空生成任意参数的纯内裂纹,在SCB试样中生成内裂纹,对含内裂纹试样进行SCB试验,分析了裂纹生长过程、应力双折射规律、Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型裂纹扩展面、破坏形态、宏微观断口特征,开展数值模拟,得到裂纹尖端应力强度因子分布规律及扩展路径,与物理试验一致。结果表明:（1）基于3D-ILC的SCB内裂纹及Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型扩展断裂规律明显,3D-ILC为断裂力学中的内裂纹问题研究提供了有力工具;（2）应力云纹在内裂纹处显示应力集中,SCB整体云纹在内裂纹处发生明显变异;（3） SCB试样从预制裂纹处发生压剪型起裂,发生Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型裂纹扩展,分为光滑区和撕裂区,持续生长转变为动态断裂进而破坏,动态断口存在裂纹分叉出现雾化区、羽毛区特征;（4）根据M积分和最大周向应力准则,对试样进行了数值模拟,得到了试样内裂纹尖端应力强度因子分...
【文章来源】：岩土力学. 2020,41(01)北大核心EICSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
翼型裂纹扩展面特征Fig.8Extensioncharacteristicsofwingcrack滑区
116岩土力学2020年下，裂纹偏离原来的平面，具有了“方向不稳定性”，在向稳定纯I型转变的过程中，形成包裹状翼型裂纹形态。具体公式推导可参见已有文献[10]，此处不再列出。而在本试验中，裂纹扩展面明显偏离原裂纹平面一定角度，且裂纹扩展呈现一直处于修正状态的曲面，即在I-II型场作用下，裂纹慢慢偏转朝向纯I型裂纹“修正”，在三维空间形成“翼型包裹”裂纹。图9为本文裂纹形态与已有文献[20-21]翼裂纹对比（将本试验翼裂纹旋转一定角度以增加对比的直观性）。(a)本试验翼裂纹(b)文献[20]翼裂纹(c)文献[21]翼裂纹图9包裹状裂纹对比图Fig.9Wingcracks4.2撕裂区与III型裂纹撕裂区位于扩展面的侧面，随着翼型裂纹扩展到一定程度后出现。通过观察可知，此区域扩展面呈现明显的矛状形态，国内也有研究者描述为针刺状，扩展面实际为凹凸不平的台阶状特征，为典型的III型参与作用下产生的裂纹面形貌。同时结合3.1节的I-II型裂纹，III型叠加下，判断侧面撕裂区为I-II-III复合裂纹。同时，由图9可知，III型裂纹的参与作用并未改变裂纹整体扩展方向，只改变了裂纹扩展面表面的形态。图10为已有文献中的I-III型裂纹形态，图10(a)因其裂纹形态的经典性，成为断裂力学领域顶刊《工程断裂力学》（EngineeringFractureMechanics）永久封面[17]，图10(b)为I-III裂纹理论图及试验图，发表于《自然》（Nature）主刊[22]。除了裂纹扩展过程中观察到形态，后文断口分析中也可以观测到宏观的矛状凹凸断面；同时，通过第5部分数值分析，撕裂区KIII分布水平较高，进
ń滓簿拖虮?此弯曲，这个过程就决定了本试验断口中矛状花样的外形。5.2.2动态断裂断口及裂纹分叉当一个非平衡力作用在一个含裂纹体内部的任意一个体积单元上，这个体积单元将被加速，相应的就获得了动能，此时，忽略动能的静态理论将不再适用，裂纹系统就变成了动态系统。通常认为，动态断裂是由于裂纹扩展速度增加到一定程度或者由于外荷载动态变化（如冲击）引起。本文试验出现了动态断裂，属于前者。从断口上来讲，在翼型裂纹扩展区周围，出现了雾化区和羽毛区等动态断口特征，雾化区和羽毛区微观断口如图15所示。图15电子显微镜下分叉微观断口Fig.15Micro-fractographyinelectronmicroscope本试验中雾化区断口粗糙度稍大、反射率有所下降，为圆环状区域，是裂纹扩展由缓慢到快速过渡的区域，反射率降低的原因是裂纹面上发生小尺度的次生断裂，由图15可看到微观尺度上的表面次生裂纹。羽毛区呈放射状，表面粗糙化，同时从侧面看，可以看到裂纹的分叉现象，即裂纹不再沿一个裂纹尖端发展，而是出现一分为二或多个裂纹尖端，继续扩展，是裂纹快速扩展区，放射条纹的收敛处为裂纹源。雾化区、羽毛区为快速动态断裂的典型特征。从光滑区（镜面区）到雾化区再到羽毛区，可判断裂纹扩展的方向和寻找裂纹源，裂纹分叉记录了动能耗散的不同阶段。目前，动态断口的形成机制及理论仍在发展之中，本文基于裂纹尖端场畸变理论[24]给出解释。当底面裂纹所受应力达到一临界点时，K超过Kc时（K为应力强度因子；Kc为临界应力强度因子），裂纹开始扩展。图16给出了一些选定的相对裂纹扩展速率下动态裂纹尖端应力分量计算结果。图16随角度函数f
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于激光–介质损伤的三维内裂纹3D-ILC实现[J]. 王海军,张九丹,任然,汤雷,钟凌伟. 岩土工程学报. 2019(12)
[2]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)
[3]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)
[4]Numerical study of the semi-circular bend dynamic fracture toughness test using discrete element models[J]. ZHAO GaoFeng,KAZERANI Tohid,MAN Ke,GAO Mz,ZHAO Jian. Science China（Technological Sciences）. 2015(09)
[5]含三维内置断裂面新型材料断裂体破裂过程研究[J]. 付金伟,朱维申,雒祥宇,李勇,周浩,张敦福. 中南大学学报(自然科学版). 2014(09)
[6]岩石指数型强度准则在主应力空间的特征[J]. 尤明庆. 岩石力学与工程学报. 2009(08)
本文编号：3387726
【文章来源】：岩土力学. 2020,41(01)北大核心EICSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
翼型裂纹扩展面特征Fig.8Extensioncharacteristicsofwingcrack滑区
116岩土力学2020年下，裂纹偏离原来的平面，具有了“方向不稳定性”，在向稳定纯I型转变的过程中，形成包裹状翼型裂纹形态。具体公式推导可参见已有文献[10]，此处不再列出。而在本试验中，裂纹扩展面明显偏离原裂纹平面一定角度，且裂纹扩展呈现一直处于修正状态的曲面，即在I-II型场作用下，裂纹慢慢偏转朝向纯I型裂纹“修正”，在三维空间形成“翼型包裹”裂纹。图9为本文裂纹形态与已有文献[20-21]翼裂纹对比（将本试验翼裂纹旋转一定角度以增加对比的直观性）。(a)本试验翼裂纹(b)文献[20]翼裂纹(c)文献[21]翼裂纹图9包裹状裂纹对比图Fig.9Wingcracks4.2撕裂区与III型裂纹撕裂区位于扩展面的侧面，随着翼型裂纹扩展到一定程度后出现。通过观察可知，此区域扩展面呈现明显的矛状形态，国内也有研究者描述为针刺状，扩展面实际为凹凸不平的台阶状特征，为典型的III型参与作用下产生的裂纹面形貌。同时结合3.1节的I-II型裂纹，III型叠加下，判断侧面撕裂区为I-II-III复合裂纹。同时，由图9可知，III型裂纹的参与作用并未改变裂纹整体扩展方向，只改变了裂纹扩展面表面的形态。图10为已有文献中的I-III型裂纹形态，图10(a)因其裂纹形态的经典性，成为断裂力学领域顶刊《工程断裂力学》（EngineeringFractureMechanics）永久封面[17]，图10(b)为I-III裂纹理论图及试验图，发表于《自然》（Nature）主刊[22]。除了裂纹扩展过程中观察到形态，后文断口分析中也可以观测到宏观的矛状凹凸断面；同时，通过第5部分数值分析，撕裂区KIII分布水平较高，进
ń滓簿拖虮?此弯曲，这个过程就决定了本试验断口中矛状花样的外形。5.2.2动态断裂断口及裂纹分叉当一个非平衡力作用在一个含裂纹体内部的任意一个体积单元上，这个体积单元将被加速，相应的就获得了动能，此时，忽略动能的静态理论将不再适用，裂纹系统就变成了动态系统。通常认为，动态断裂是由于裂纹扩展速度增加到一定程度或者由于外荷载动态变化（如冲击）引起。本文试验出现了动态断裂，属于前者。从断口上来讲，在翼型裂纹扩展区周围，出现了雾化区和羽毛区等动态断口特征，雾化区和羽毛区微观断口如图15所示。图15电子显微镜下分叉微观断口Fig.15Micro-fractographyinelectronmicroscope本试验中雾化区断口粗糙度稍大、反射率有所下降，为圆环状区域，是裂纹扩展由缓慢到快速过渡的区域，反射率降低的原因是裂纹面上发生小尺度的次生断裂，由图15可看到微观尺度上的表面次生裂纹。羽毛区呈放射状，表面粗糙化，同时从侧面看，可以看到裂纹的分叉现象，即裂纹不再沿一个裂纹尖端发展，而是出现一分为二或多个裂纹尖端，继续扩展，是裂纹快速扩展区，放射条纹的收敛处为裂纹源。雾化区、羽毛区为快速动态断裂的典型特征。从光滑区（镜面区）到雾化区再到羽毛区，可判断裂纹扩展的方向和寻找裂纹源，裂纹分叉记录了动能耗散的不同阶段。目前，动态断口的形成机制及理论仍在发展之中，本文基于裂纹尖端场畸变理论[24]给出解释。当底面裂纹所受应力达到一临界点时，K超过Kc时（K为应力强度因子；Kc为临界应力强度因子），裂纹开始扩展。图16给出了一些选定的相对裂纹扩展速率下动态裂纹尖端应力分量计算结果。图16随角度函数f
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于激光–介质损伤的三维内裂纹3D-ILC实现[J]. 王海军,张九丹,任然,汤雷,钟凌伟. 岩土工程学报. 2019(12)
[2]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)
[3]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)
[4]Numerical study of the semi-circular bend dynamic fracture toughness test using discrete element models[J]. ZHAO GaoFeng,KAZERANI Tohid,MAN Ke,GAO Mz,ZHAO Jian. Science China（Technological Sciences）. 2015(09)
[5]含三维内置断裂面新型材料断裂体破裂过程研究[J]. 付金伟,朱维申,雒祥宇,李勇,周浩,张敦福. 中南大学学报(自然科学版). 2014(09)
[6]岩石指数型强度准则在主应力空间的特征[J]. 尤明庆. 岩石力学与工程学报. 2009(08)
本文编号：3387726
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