含偏置裂纹三点弯曲梁的动态断裂行为研究

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1、7一乙f26力学学报19t11月C1AMECHANICASINICA含偏置裂纹三点弯曲梁的动态断裂行为研究芏生墨查旦方竟一j4e＼H￡京学学j桂!科学系．北京10087]H^摘要采用动志焦敞线力浊．对含偏置裂纹三点弯曲粱承受横同冲击的弯曲断裂J为进行r系列动志断裂力学实验研究．分析了无鳍判最a／'I的改变(0初始裂纹偏离桨由心线的距离；f⋯粱长度的一半1对于裂纹动忐扩展行为(裂纹起始状态、裂纹尖端的复台直强度瞄子、裂纹扩展速度、裂纹扩堤轨迹)的影响．并借助动态光弹性应力丹析．刈麻力破与扩胜裂纹的柏甄作H

2、j以及压力波传播规律进行探讨给出r裂纹尖端复什出打强度子、裂纹展速度的变化裂纹曲裂轨迹及方向与桨一应力波传播的相i关系．一⋯．一复，畔度引言冲击裁茼作刚下的含缺陷J如裂纹)粱的动态断裂力学行为与静态情况r莘别很大．一直是人们探讨研究的个重要课题．当冲击载荷所引起的弯曲波作用于裂纹时．裂纹尖端的应力强度子将崮材料结构和裂纹模式的变化而具有不同的动态响域．并具自‘不同的起裂条件和扩胜运动行为同时．裂纹的动态行为也对弯曲波的传播具有不l司的散射作用．故而存在着各种波与裂纹间的相互作用关系．因此含歃陷尤其是含裂

3、纹的桨在冲击载茼作用下的断裂行为研究对材料的动态学性能研究、工程结构的安许估等都具有重要的科学意义和泛的T程应用背景．动态光弹性与动态焦散线是研究动态断裂的两种重要实验方法利用动光弹性，Corran／}研究丁中心冲击下含裂纹简支粱中应力波传播机理以及裂纹尖端等燕条纹模式；Kobayashi[。研究动态撕裂试件中扩展裂纹尖端的动态应力强度崮子、动态能量释放率及裂纹展速度．n动态焦散线方，Kaltho．Tbeocaris[1研究了含裂纹简支粱中裂纹动态断裂韧性、裂纹尖端的动态应力强艘因子以及断裂机理；Zeh

4、nder和l{osakisl研究J材质为4340钢的三点弯曲粱中心横向冲击下的裂纹起始及传播情况，指出动态断裂韧性’裂尖速度有荚．FangZ~】等成功地将动态光弹性与动态焦散线方法结合证起，以种研究应波与裂纹棚互作用的新方法和新技术，揭示了在弯曲波等作爿

5、F悬臂梁内边裂纹和复合粱内终止卡界面的裂纹昀动态响应和断裂机理l。。在这些研究r=作中裂纹部帆为纯张扦裂尖臆力场是性的裂纹扩展路径均为直线，而计于裂纹偏置情况下的动各曲裂行为以及裂尖的复合应力场较少涉及．l采然科学基缸皿日家教香跨[纪凡才计划项H资助惮

6、鼬l9911⋯-收一1996i】{llI12趣刊骼舶662力学学报19(46每等28卷本文通过时冲击拔荷作用下含偏置裂纹三点弯曲梁的离焦高速摄影记录，用动态焦散线法分析了．梁内偏置裂纹仡弯曲渡作用下的起裂、扩展过程，研究了初始裂纹偏离粱中心线的距离(a1与梁长度半(1)之比这一无量纲量n／l对其冲击断裂行为(裂尖复合应力强度斟千、裂纹扩展速度、裂纹曲裂路径及方向等)的影响，并结合动态光弹性对应波与扩展裂尖问的相作用进行了综合分析研究1实验原理一方面，利用动态焦散线可确定扩展裂纹尖端的复合鹿力强度因子由于

7、三点弯曲梁中初始裂纹的偏置，产生了在中心冲击载荷情况下整个梁内力学量的非对称性．在横向冲击载菏作用下，粱内的应力以应力波的形式从冲击位置向内部传播．并在一定时间延迟后作用于垂直于粱的下边界的边裂纹．粱内的应力波产生r裂纹尖端的复合应力场．故裂纹正扩展i泞和扩展后均应视为(I+I1)复合型．Kalthofr【l给H{了动载条件下复{=}扩展裂纹尖端的动态应力强度因子为A=i‘1—_】i了j兰【ll1)Ku=tzKI(2)式中，D⋯，J分别为沿裂纹方向的焦Jl散斑最大直径、最小直径，它们的尺寸定义见图1．z

8、0是参考平面到物体平面的距离：。c为应力光学常数；d为试件有效厚度：，t是动载下，复合型扩展裂纹尖端的l．I型、Ⅱ型应强废因子为应力强度因子比例系数，可利用文献lo1中的f，J⋯一、Di。)／D⋯～曲线得到；而F()是存动投_情况下的裂纹扩展速度调节因子当裂纹处：-·I_—于静止状态时，F()=1在一般情况下，对·于具有实际意义的裂纹扩展速度，)<1IDm⋯D．帅尺寸定望对于给定的试验条件．mc均是Fl1)elinhloaofD⋯xDllll口常数，只要利用动态焦散线确定扩展裂纹尖端的焦散斑直径，就可以

9、确定不同瞬时扩展裂纹尖端的动态威力强度因子．同时根据动态焦散线方法，可以确定不同瞬时裂纹尖端的位置，从而确定不同瞬时的裂纹扩展长度和裂纹扩展速度另‘方面，利用动态光弹性方法．可以记录动态等差条纹图的模式得到梁中应力波传播以及‘j裂纹十目可作用的过程，州以解释裂纹断裂机理并建屯渡与裂纹同的相互联系2冲击断裂实验2、1试件选用有机玻璃与环氡树脂两种板制(厚度分别为3tlllil、6lll1TI)作为试验材料，其中自机玻璃试件用于动态敲线研究，环