含不同张开角度裂纹结构的动态断裂试验研究

不同结构的动态断裂行为受多个因素影响,其中裂纹缺陷对其影响最为显著。张开型裂纹是工程结构中十分常见的缺陷,而且张开角度往往并不固定。为研究结构的运动裂纹与不同预制角度裂纹相互作用的规律,以张开角度为单一变量,采用动态焦散线试验系统,在冲击荷载下对含不同张开角度裂纹的有机玻璃试件进行三点弯试验。研究发现：裂纹扩展经过不同张开角度的预制裂纹时,都会先扩展至预制裂纹夹角尖端,再从预制裂纹其中一端重新蓄能起裂,然后偏向落锤点方向扩展,最终贯穿整个试件;开口向上的预制裂纹会增加运动裂纹的扩展时长,而且预制裂纹的开口角度越大,对裂纹扩展产生的迟滞效应越大,裂纹贯穿试件的总时长越大;与预制裂纹相互作用阶段,动态裂纹都会先减速后增速至峰值,预制裂纹角度越大,裂纹扩展速度峰值越小,且当预制裂纹角度为180°时的峰值与无预制裂缝试件的峰值非常接近;运动裂纹再次从预制裂纹尖端处起裂时裂纹尖端应力强度因子迅速大幅增加后又迅速减小直至试件完全断裂。     

半圆盘构件冲击断裂特性的动态焦散线实验研究

采用动态焦散线实验系统,对有机玻璃（PMMA）在冲击载荷下的I型和I-II混合型裂纹在起裂和扩展时的动态断裂特性进行了研究。结果表明：随着PMMA由I型断裂转变为I-II混合型断裂,从落锤作用在试件上到裂纹起裂所需时间不断增加,说明裂纹起裂需要的能量有所增加,同时从裂纹起裂到最终贯通所需时间不断减少,说明裂纹平均扩展速度也不断增大;在I型断裂中,PMMA的断裂韧度KIC为2.04 MN/m3/2,而在I-II混合型断裂中,PMMA的断裂韧度KIC低于I型断裂时的断裂韧度KIC,但是KIIC有所增大;对于I-II混合型断裂,PMMA极限扩展速度约为366m/s,当达到极限扩展速度后,裂纹尖端出现微裂纹增韧现象,使裂纹的表面能迅速增大,随后裂纹的扩展速度迅速减小。     

霍普金森杆冲击压缩单裂纹圆孔板的岩石动态断裂韧度试验方法

对压缩单裂纹圆孔板(single cleavage drilled compression--SCDC)砂岩试样,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)冲击加载,进行了岩石张开型(I型)动态断裂实验。分别采用2种方法确定砂岩的动态断裂韧度,第1种方法是实验-数值法：由SHPB弹性杆上应变片获得作用在试件上的加载力,然后输入有限元分析程序求得试样裂尖动态应力强度因子,对应于裂尖起裂时刻的动态应力强度因子即为材料动态断裂韧度值;第2种方法是准静态法：将载荷峰值代入静态应力强度因子公式确定动态断裂韧度。2种方法的结果差异较大,对无量纲裂纹长度a/R= 0.64(A组)试样,准静态方法确定的断裂韧度值要比实验-数值法确定的断裂韧度值平均要小35%~62%;对无量纲裂纹长度a/R=1.61(B组)试样,准静态方法的计算结果比实验-数值法的计算结果平均要小72%~83%。从原理上讲,实验-数值法比准静态法能更合理地测定岩石的动态断裂韧度。     

冲击载荷下岩石材料动态断裂韧性测试研究进展

岩石动态断裂韧性是岩石动力学的基本力学参数之一,也是评价岩石抵抗裂纹动态起裂和扩展性能的重要参数之一。随着采矿工程、岩土工程的不断发展,冲击动态载荷下岩石动态断裂韧性的研究也愈来愈为国内外岩土工程界所关注。综述了冲击载荷下岩石材料动态断裂韧性测试研究进展,主要介绍了冲击载荷下岩石动态断裂韧性测试技术研究成就及其优缺点,并就冲击载荷下岩石动态断裂韧性测试研究发展趋势给予展望。     

动态断裂韧度与冲击功之间关系的探讨

将冲击功分为温度敏感分量和非温度敏感分量,通过对断裂过程中能量的分析,认为冷脆性金属材料在下平台的断裂阻力主要决定于非温度敏感分量,在塑-脆过渡区,随着温度升高,温度敏感分量的作用越来越大.得到动态断裂韧度(KId)与冲击功(CVN)之间的关系:K2Id=A+B(CVN),该式在上平台、塑-脆过渡区和下平台对KId的预测均与试验结果符合得比较满意.     

含裂纹悬臂梁的动态弯曲断裂行为研究

本文采用动态焦散线方法对含裂纹悬臂梁承受横向冲击的弯曲断裂行为进行了动态断裂力学实验研究，分析了无量ａ／ｈ（ａ：初始裂纹长度；ｈ：梁高度）对于裂纹动态扩展行为（裂纹起始状态、裂纹尖端的应力强度因子、裂纹扩展速度、裂纹扩展轨迹）的影响，并借助动态光弹性应力分析，对应力波与扩展裂纹的相互作用、以及应力波传播规律进行探讨。     

冲击载荷作用下岩石材料模型实验验证

利用ANSYS/LS-DYNA有限元程序建立计算模型,模拟了岩石靶板在冲击载荷作用下的动态响应过程,给出了岩石靶板在不同冲击速度下其内部不同Lagrangian位置处的应力-时间响应曲线,数值模拟结果与实验结果吻合较好.通过对模拟结果和实验结果的对比分析可知,冲击载荷作用下纵向冲击压缩波和横向稀疏卸载波的双重作用是导致岩石靶板破坏的主要原因,这对进一步开展岩石材料动态力学性能研究提供了重要的指导.     

Ⅰ型裂纹面中心区受均布载荷作用下的非对称动态扩展问题

通过复变函数论的方法,对Ⅰ型裂纹面中心区受均布载荷作用下的非对称动态扩展问题进行研究.采用自相似函数的方法可以获得应力、位移和应力强度因子的解析解.应用该法可以很容易地将所讨论的问题转化为Riemann-Hilbert问题, 然后应用Muskhelishvili方法就可以相当简单地得到问题的闭合解.利用这些解并采用叠加原理,就可以很容易地求得任意复杂问题的解.     

含单侧预制裂纹梁的冲击动态断裂过程试验研究

利用动焦散线试验方法研究了冲击下预制裂纹梁的动态断裂行为,对比分析了冲击荷载作用下单裂纹与双裂纹试件的应力强度因子、扩展轨迹以及速度、加速度等参数的变化规律。试验结果表明:冲击荷载作用下,含双裂纹且主裂纹在冲击点正下方的试件起裂时间最早,裂纹扩展后期朝向次裂纹方向发生较小的偏移;含Ⅰ型单裂纹的试件起裂时间次之,裂纹扩展路径呈直线;含双裂纹且两条裂纹均偏置于冲击点的试件起裂时间最晚,扩展过程中发生明显的曲裂现象。同时,裂纹扩展过程中曲裂现象越严重,裂纹扩展的最大速度就越小。在落锤冲击试件到试件断裂的整个阶段,应力强度因子一直表现出振荡变化。含双裂纹的试件,在主裂纹扩展中期,次裂纹上的应力强度因子有一个快速下降的过程。     

含倾斜裂纹三点弯动态断裂试验研究

为研究冲击荷载下巷道围岩不同角度径向裂纹的破坏机制,采用落锤冲击加载平台和数字激光动态焦散线实验系统,以有机玻璃为试验材料,设计冲击荷载下半圆孔上不同角度裂纹的三点弯动态断裂试验,记录预制裂纹的角度α的改变对裂纹动态力学行为的影响,通过分析动态应力强度因子和裂纹扩展轨迹的分形维数对实验现象进行归纳总结。研究发现:①预制裂纹角度对裂纹尖端应变能的积累和释放的快慢有较大影响,随着角度的增大,起裂时间变短,起裂更容易,裂纹尖端应变能积累的更快;②裂纹尖端应变能释放的快慢在α=45°两侧表现出不同的规律;③不同角度裂纹的Ⅰ型动态应力强度因子随时间的变化规律具有相似性,但最大值却具有差异性;④不同角度裂纹的扩展轨迹满足一定的分形规律。     

Ⅱ型Ⅲ型动态裂纹尖端断裂过程区近似评估方法

动态裂纹尖端断裂过程区轮廓的确定问题仍然是一个没有得到完全解决的问题。基于弹性动力学的理论和复应力函数方法,提出一种伪应力函数方法,用于近似评估动态裂纹尖端应力场。通过与已知应力场计算结果对比,验证了伪应力函数的正确性。利用此近似方法通过Von Mises强度准则和Tresca强度准则,分别确定了不同强度准则条件下、不同裂纹扩展速度下断裂过程区的轮廓。计算结果表明:II型和III型动态裂纹尖端断裂过程区关于裂纹面对称分布,随着裂纹扩展速度增大而增大。当裂纹传播速度接近瑞利波速时,断裂过程区变化加剧。利用Tresca强度准则计算得到的动态裂纹尖端断裂过程区面积比利用Von Mises强度准则计算得到的断裂过程区的面积大。     

II型III型动态裂纹尖端断裂过程区近似评估方法

动态裂纹尖端断裂过程区轮廓的确定问题仍然是一个没有得到完全解决的问题。基于弹性动力学的理论和复应力函数方法,提出一种伪应力函数方法,用于近似评估动态裂纹尖端应力场。通过与已知应力场计算结果对比,验证了伪应力函数的正确性。利用此近似方法通过Von Mises强度准则和Tresca强度准则,分别确定了不同强度准则条件下、不同裂纹扩展速度下断裂过程区的轮廓。计算结果表明:II型和III型动态裂纹尖端断裂过程区关于裂纹面对称分布,随着裂纹扩展速度增大而增大。当裂纹传播速度接近瑞利波速时,断裂过程区变化加剧。利用Tresca强度准则计算得到的动态裂纹尖端断裂过程区面积比利用Von Mises强度准则计算得到的断裂过程区的面积大。     

Ⅰ型裂纹面中心区受均布载荷作用下的非对称动态扩展问题

通过复变函数论的方法,对Ⅰ型裂纹面中心区受均布载荷作用下的非对称动态扩展问题进行研究。采用自相似函数的方法可以获得应力、位移和应力强度因子的解析解。应用该法可以很容易地将所讨论的问题转化为Riemann—Hilbert问题,然后应用Muskhelishvili方法就可以相当简单地得到问题的闭合解。利用这些解并采用叠加原理,就可以很容易地求得任意复杂问题的解。     

冲击载荷下双预置裂纹三点弯曲梁动态断裂实验

采用数字激光焦散线实验系统,对双预置裂纹三点弯曲梁进行了动态冲击实验,分析了双预置裂纹对试件裂纹尖端扩展速率和动态应力强度因子值的影响。实验结果表明:1双预置裂纹三点弯曲梁在动态冲击实验中,B裂纹作为开裂裂纹,其起裂时间和扩展速率峰值受到冲击载荷加载点与其预置位置之间水平距离值的影响,距离越小,起裂越快,扩展速率峰值越大;2试件开裂后,裂纹的裂纹扩展速度和动态应力强度因子值随时间的变化曲线均具有快速上升然后波动下降的规律;3B裂纹起裂所需能量随着A、B裂纹间距a值减小而增大。     

爆炸载荷作用下的岩石损伤断裂研究

岩石爆破机理是一个复杂的问题,目前理论研究还不是很成熟。根据以往经典固体力学方法解释岩石在爆炸载荷作用下的力学行为,是无法揭示岩石爆破破碎的全过程,也难以确定岩石内的损伤和破坏程度;采用细观力学方法可以深入了解岩石内部从损伤到破碎全过程。岩石爆破损伤断裂机理是由岩石爆破机理和岩石细观损伤力学理论组成的。本文在分析研究现有岩石爆破模型的基础上,指出了现有的岩石爆破损伤模型存在的不足及发展方向;并进行了水中爆炸实验,分析了激波对水泥试样的损伤特性。     

爆炸载荷作用下的岩石损伤断裂研究

岩石爆破机理是一个复杂的问题,目前理论研究还不是很成熟。根据以往经典固体力学方法解释岩石在爆炸载荷作用下的力学行为,是无法揭示岩石爆破破碎的全过程,也难以确定岩石内的损伤和破坏程度;采用细观力学方法可以深入了解岩石内部从损伤到破碎全过程。岩石爆破损伤断裂机理是由岩石爆破机理和岩石细观损伤力学理论组成的。本文在分析研究现有岩石爆破模型的基础上,指出了现有的岩石爆破损伤模型存在的不足及发展方向;并进行了水中爆炸实验,分析了激波对水泥试样的损伤特性。     

低速冲击下纤维混凝土梁的动力学特征与断裂耗能研究

随着各类型短切纤维的生产成本的降低,纤维混凝土得到大规模发展且应用领域不断扩展,为保证纤维混凝土在复杂环境的服役安全,该研究分别对素混凝土(plain concrete,PC)梁与纤维长度为6～8 mm且体积掺量均为0.30％的碳纤维(carbon fiber,CF)、玻璃纤维(glass fiber,GF)和玄武岩纤...     

含半椭圆表面裂纹圆柱壳体的三维热弹性动态断裂

研究了含轴向半椭圆表面裂纹的圆柱壳体在热应力与冲击载荷作用下的动态断裂情况,并应用所研制的三维动态断裂有限元程序进行了大规模的数值计算,确定了圆柱壳体的三维温度分布及热-力耦合下的动态应力强度因子,所得结果在一定程度上揭示了热-力作用下圆柱壳体的边界表面、裂纹面、物质惯性和弹性波的相互作用在结构动态断裂中的重要性。     

极限载荷作用下机械贯穿件应变及密封性能研究

机械贯穿件的密封性能对保证核电工程安全性至关重要。为分析机械贯穿件在极限载荷作用下的应变变化过程及密封性能,针对机械贯穿件的结构特点,设计一套加载试验装置。在此基础上,分别采用应变片和基于数字散斑相关法的XTDIC系统对贯穿件在极限载荷作用下的形变开展测试工作,并将极限载荷加载后的机械贯穿件置于密封试验装置中,测试其密封性能。研究结果表明,基于三维数字散斑相关法的XTDIC系统在测取复杂应变时精度较低,而位移变形测试精度较高;极限载荷施加过程中,贯穿柱根部应力集中程度高,塑性变形不均匀;极限载荷作用后,贯穿件的小时泄露率为6.6×10~(-4) h~(-1),满足应用要求。