冲击载荷作用下含孔洞缺陷介质断裂行为研究.pdf

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第25卷第8期中国矿业VoL25，NO．82016年8月CHINAMININGMAGAZINEAug．2016矿业纵横冲击载荷作用下含孔洞缺陷介质断裂行为研究李清，郭洋，韩通，杨鸣泽，徐文龙(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京100083)摘要：采用新型数字激光动态焦散线试验系统，对含孔洞缺陷和预制边裂纹的半圆盘试件进行了三点弯曲动态冲击实验。实验结果表明：在动态冲击载荷作用下，试件边裂纹处的应力集中程度较试件内部的孔洞缺陷处的应力集中程度更加显著；当孔洞位于裂纹前方时，孔洞对裂纹的扩展速度有抑制作用，且这种抑制作用随着孔洞与边裂纹尖端距离的增加有所减弱；当裂纹再次从孔洞处起裂时，裂纹的扩展速度和应力强度因子和裂纹与孔洞贯通前相比，均出现较大的上升，试件sl、s2中，裂纹扩展速度分别上升了1070、138，相应的裂纹尖端应力强度因子分别上升了61、67；裂纹的扩展速度与裂纹尖端的应力强度因子呈一定的正相关性，但受裂纹前方附近孑L洞周围应力场的影响，裂纹尖端的应力强度因子有一定提高。关键词：焦散线；动态冲击载荷；孔洞缺陷；动态应力强度因子；裂纹扩展速度中图分类号：TU45文献标识码：A文章编号：1004—4051(2016)08—0126—04StudyondynamicfracturebehaviorofspecimencontainingemptyholesflawsunderimpactloadingLIQing，GUOYang，HANTong，YANGMing—ze，XUWen-long(SchoolofMechanics&CivilEngineering，ChinaUniversityofMining＆Technology(Beijing)，Beijing100083，China)Abstract：Usingnewdigitallazardynamiccausticssystem，thedynamicfracturebehaviorofsemi—circularspecimencontainingemptyholessub3ectedtOimpactloadingwasstudied．Theresultsshowthat，underdynamicimpactloading，thestressconcentrationatthetipofedgecrackswasgreaterthanthatatemptyholes；whentheemptyholeswereinfrontofrunningcrack，theemptyholesmadethecrackpropagatingvelocitydecreased，whichdecreasedwiththedisplacementbetweenemptyholesandthetipofedgecracksincreasing；whenthecrackpropagatedagain，comparedtOthecrackpropagatingvelocityandstressintensityfactoratcoalescencetime，thecrackpropagatingvelocityforspecimenS1。S2increasedby1070，138，respectively，stressintensityfactorforspecimenS1，S2increasedby61，67respectively；thedynamicstressintensityfactorwaspositivelycorrelatedwiththecrackpropagatingvelocity，butthestressintensityfactorincreasedbeforecoalescencetimebecauseoftheemptyholes．Keywords：caustics；dynamicimpactloading；emptyholesflaw；dynamicstressintensityfactor；crackpropagatingvelocity天然岩体中存在着大量的节理、层理、孔洞等冲击载荷作用下缺陷介质中，缺陷的位置及其缺陷缺陷，在动态载荷作用下，介质往往由于缺陷所处之间的相对距离对材料动态断裂特性的影响具有的位置不同而表现出不同的断裂特性，因此，研究重要的现实意义，很多学者对其进行了研究。边亚东等运用动焦散线方法对含双平行裂纹有机玻璃试件进行三点弯曲实验，并分析其断裂特性l1]。陈收稿日期：2016-01-20爱军等提出了对含边裂纹三点弯曲试件测定应力基金项目：国家自然科学基金项目资助(编号：51374212，51134025)强度因子新方法_2]，并得到了其随裂纹扩展长度和作者简介：李清(1969一)，男，湖南岳阳人，博士，教授，主要从事爆破工程及土木工程方面的教学与研究工作。E-mail：liq@cumtb．edu．cn。加载速率的变化规律。姚学锋等]运用Det．准则通讯作者：郭洋(1989一)，女，辽宁锦州人，博士。E—mail：与焦散线相结合的方法对动载荷作用下裂纹起裂kuangdaguoyang@sina．cn条件以及裂纹扩展方向进行了分析。杨仁树等对 第8期李清，等：冲击载荷作用下含孔洞缺陷介质断裂行为研究含裂纹缺陷材料进行了三点弯曲实验，研究分析了敏感波长范围内。综合考虑，本次试验的拍摄速率主裂纹以及次裂纹的扩展行为。林鹏等【5]根据材料为1．5×10fps。落锤质量为1．5kg，下落的高度为中缺陷的尺寸提出了裂纹和空孔的临界值，并对其36cm。实验时，严格保证每次落锤下落的高度进行了数值模拟，研究缺陷尺寸对材料强度的影一致。响。黄明利等对三点弯曲实验进行数值模拟，分析l光线集中区了含不同偏置位置裂纹介质的断裂模式]。贾敬辉+等采用数值模拟方法从加载峰值和材料的均匀度两个方面对含偏置边裂纹介质三点弯曲实验进行l阴影区研究，得到了两种断裂模式变换时所对应的偏置边-LI裂纹的位置l7]。肖同社等运用焦散线方法对含节理光线集中区缺陷介质动态断裂特性进行了研究]。岳中文等对含不同角度边裂纹材料进行三点弯曲实验，得到随着边裂纹与加载方向的夹角的变化，裂纹尖端应力强度因子、裂纹扩展速度等均产生变化[g]。李清等撬分析了含双裂纹材料三点弯曲实验中各动态参数的变化规律口。这些学者对含裂纹缺陷介质动态回二断裂行为进行了研究，然而对孔洞缺陷材料的动态束镜断裂行为的研究还存在很多不足，尤其对孔洞位置对材料断裂行为的影响问题研究尚鲜有报道。利用焦散线实验方法，对动态冲击载荷作用图2实验光路示意图下，缺陷介质中的孔洞位置对动态裂纹扩展行为的1．2实验试件影响进行了研究，着重分析了裂纹扩展速度和裂纹在实验中，运用有机玻璃材料研究裂纹扩展和尖端应力强度因子等参数在裂纹扩展的不同阶段相关的动态应力强度因子等参数。有机玻璃是光中的演化规律。学同性材料，具有较高的光学常数并且产生单焦散1动态焦散线方法和实验方法线，提高了实验的精度。其动态力学参数：纵波波1．1动态焦散线实验系统速C为2320m／s，横波波速C。为1260m／s，动态弹图1为焦散线成像示意图。当一束平行光垂直性模量Ed为6．1GPa，动态泊松比为0．28，光学穿过试件时，光路不发生改变。但是当光束穿过受常数C为一0．80×10。m／N。实验所选用半圆盘拉(或压)试件时，试件的厚度和折射率就会随之发试件，半径为60mm，厚度为4mm，圆心处设置一条生改变。此时，当平行光线穿过试件的这一区域边裂纹，其垂直于边缘，长度为8ram，另外在与边裂时，原先平行的光线就会发生偏转，并在试件后的纹共线处设置空孑L作为孔洞缺陷，直径为4ram，试空间中形成一个三维的包络面，这个包络面(包含件S1中空孔的圆心距边裂纹尖端距离为10mm，试面所形成的曲面)称为焦散曲面。若在距离试件表件S2中空孔的圆心距边裂纹尖端距离为20mm。面(表现)一定距离的Z。处放置一个与模型试件表1．3实验参数计算面平行的参考平面，则在参考平面上就可以观察到为了获得裂纹扩展速度和断裂参数提出函数焦散曲面在Z。处的横断面图像，图像上观察到一组拟合方法计算裂纹扩展的实际长度(式(1))，而裂亮线，就是焦散线，由亮线包围着的暗区就是焦纹扩展速度可以通过位移函数对时间(试件)进行散斑。求导。基于冲击载荷作用下扩展裂纹尖端焦散斑图2为新型数字激光动态焦散线试验系统，该图像，裂纹尖端应力强度因子可以按式(2)计算。系统由激光器、扩束镜、透镜、冲击加载装置、高速数字相机以及计算机组成。其中，高速数字相机为V=L(￡)(1)美国制造的，型号为Fastcam—SA5，在实验过程中记K，一D号(2)录动态焦散斑瞬间图像以及裂纹扩展的全过程，其3(3．17)言z0最大拍摄速率为10fps。实验选用绿色激光光源作式中：K为应力强度因子；为参考平面到试件之为实验光源，该光源的波长处于高速数字相机的最间的距离；为试件的有效厚度；c为光学常数；D 第8期李清，等：冲击载荷作用下含孔洞缺陷介质断裂行为研究1293．3裂纹尖端应力强度因子纹尖端释放的能量主要转化为三个方面：①新增裂图6为两种试件裂纹尖端应力强度因子K随纹扩展表面的表面能；②因试件平移和转动而消耗时间的变化曲线。从图中可以看出，在裂纹起裂之的能量；③裂纹扩展的动能。由于试件平移和转动前，两种试件边裂纹尖端的应力强度因子的变化情消耗的能量在裂纹起裂扩展阶段一般较少，可忽略况基本一致，进一步说明了不同的空孔位置对边裂不计。因此，若假定裂纹的断裂能不变，则裂纹尖纹尖端能量的积聚基本没有影响。当裂纹扩展以端的能量越大，转化为裂纹扩展的动能也就越多，后，试件s2中裂纹尖端的应力强度因子继续上升，裂纹的扩展速度越大。但试件s1中裂纹尖端的应力强度因子基本保持不4结论变。这是由于裂纹前方孔洞周围应力场的影响，使1)在动态载荷作用下，试件边裂纹处的应力集裂纹尖端的应力场增强，导致裂纹尖端的应力强度中程度较试件内部的孑L洞缺陷处的应力集中程度因子有一定上升。当裂纹再次从孔洞处起裂后，裂更加显著。纹尖端的应力强度因子均迅速增大。此时，试件S12)当孔洞位于裂纹前方时，孔洞对裂纹的扩展从孔洞处起裂时的起裂韧度为2．14MN／m，试件速度有抑制作用，且这种抑制作用随着孔洞与边裂S2从孔洞处起裂时的起裂韧度为2．52MN／m。／2，与纹尖端距离的增加而有所减弱。裂纹与孔洞贯通的前应力强度因子值相比，分别增3)当裂纹再次从孔洞处起裂时，与裂纹和孔洞加了61和67。随后，与裂纹的扩展速度类似，贯通前相比，裂纹的扩展速度和应力强度因子均出两种试件中，裂纹尖端的应力强度因子均表现为迅现较大的上升，试件S1、S2中，裂纹扩展速度分别速下降的趋势，且在裂纹扩展知试件边缘时，再次上升1070、138，相应的裂纹尖端应力强度因子出现小幅上升的趋势。分别上升61％、67。4)裂纹的扩展速度与裂纹尖端的应力强度因子呈一定的正相关性，但受裂纹前方附近孔洞周围应力场的影响，裂纹尖端的应力强度因子有一定提高。■■一参考文献边亚东，潘洪科，张玉国．含双裂纹三点弯曲梁动态焦散线实验[J]．矿业研究与开发，2013，33(3)：28—32．O陈爱军，曹俊俊．带裂纹三点弯曲试样的动态应力强度因子分析EJ]．应用数学和力学，2Ol1(2)：194—2O1．图5裂纹扩展速度对比曲线姚学锋，熊春阳，方竞．含偏置裂纹三点弯曲梁的动态断裂行为研究fJ]．力学学报，1996，28(6)：22—30．杨仁树，王雁冰，侯丽冬，等．冲击荷载下缺陷介质裂纹扩展的DLDC试验[J]．岩石力学与工程学报，2014，33(10)：197卜1976．林鹏，唐春安，黄觊珠，等．脆性介质中裂纹与孔洞缺陷的分类与尺度效应[J]．岩石力学与工程学报，2002，21(s2)：2296-2300．黄明利，朱万成，逄铭彰．动载荷作用下含偏置裂纹三点弯曲梁破坏过程的数值模拟[J]．岩石力学与工程学报，2007，269(S1)：3384-3389．贾敬辉，张永彬．动荷载作用下三点弯曲梁的破坏形式与偏置裂纹位置的关系口]．武汉理工大学学报，2012(11)：84—87．图6应力强度因子KI随时间变化曲线肖同社，杨仁树，边亚东，等．含节理岩体爆生裂纹扩展的动焦散模型实验研究[J]．实验力学，2006，21(4)：539—545．结合图5和图6可以看出，裂纹的扩展速度与岳中文，杨仁树，孙中辉，等．含倾斜边裂纹岩石冲击断裂模裂纹尖端的应力强度因子存在一定的正相关性。拟试验EJ]．煤炭学报，2010(9)：1456—1460．裂纹尖端的应力强度因子越高，裂纹的扩展速度也李清，张迪，杨阳，等．含单侧预制裂纹梁的冲击动态断裂过就越大。从能量的角度看，在裂纹扩展过程中，裂程试验研究[J]．振动与冲击，2015(4)：205—210．