【摘要】：國(guó)際著名斷裂力學(xué)專家Karihaloo et al.(2015)在權(quán)威期刊International Journal of Fracture 50周年紀(jì)念刊上發(fā)表的邀請(qǐng)論文中指出,基于拉伸強(qiáng)度(而不是壓縮強(qiáng)度)的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理。巖石與混凝土同屬于準(zhǔn)脆性材料,對(duì)其拉伸強(qiáng)度研究難度大。巖石的拉伸強(qiáng)度和斷裂韌度的測(cè)試方法,尤其是動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)斷裂韌度測(cè)試方法,是固體力學(xué)等自然科學(xué)學(xué)科的前沿研究課題。在非定常速狀態(tài)下動(dòng)態(tài)裂紋的擴(kuò)展過(guò)程更是世界級(jí)的熱點(diǎn)問(wèn)題。但由于精準(zhǔn)測(cè)量裂紋高速擴(kuò)展的技術(shù)并不成熟,研究材料斷裂過(guò)程中加速度仍有困難,尤其是對(duì)非透明巖石類材料,至今巖石中裂紋非常速擴(kuò)展的研究仍存在巨大的空缺。本文側(cè)重研究巖石材料的I型動(dòng)態(tài)斷裂行為,初步探尋了II型動(dòng)態(tài)斷裂的有效試樣。高度關(guān)注快速擴(kuò)展裂紋尖端的運(yùn)動(dòng)情況,如裂紋動(dòng)態(tài)起裂、擴(kuò)展、裂紋擴(kuò)展過(guò)程中裂紋的加速和減速過(guò)程。拋棄以往裂紋常速擴(kuò)展的觀點(diǎn),研究裂紋擴(kuò)展過(guò)程中速度變化以及加速度變化,監(jiān)測(cè)反射應(yīng)力波對(duì)裂紋擴(kuò)展速度的影響;高加載率下,快速擴(kuò)展裂紋尖端附近質(zhì)點(diǎn)受到裂紋尖端應(yīng)力集中區(qū)的影響,裂紋起裂后有一個(gè)明顯的加速過(guò)程。本文研究分為兩個(gè)部分:(1)巖石斷裂的研究重心主要在I型斷裂,但與自然界重大災(zāi)害緊密相關(guān)的巖體破壞主要是剪切破壞,目前在這方面取得的研究成果卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于I型斷裂。為進(jìn)一步探究II型斷裂,為II型動(dòng)態(tài)斷裂實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)。在以往研究的基礎(chǔ)上,對(duì)方板類試樣的裂紋位置進(jìn)行改進(jìn),提出壓縮偏心單裂紋圓孔板(Bias Single Cleavage Drilled Compression-BSCDC),采用有限元方法分析不同幾何參數(shù)的BSCDC試樣的應(yīng)力分布,并標(biāo)定BSCDC試樣不同裂紋偏移距離條件下的無(wú)量綱應(yīng)力強(qiáng)度因子,為復(fù)合型,純II型動(dòng)態(tài)斷裂實(shí)驗(yàn)給出建議尺寸。(2)動(dòng)態(tài)斷裂的裂紋速度會(huì)出現(xiàn)振蕩或變化,許多學(xué)者將其視為測(cè)量?jī)x器的精度誤差所致,而將裂紋仍舊看成平均意義上的常速擴(kuò)展,雖然可簡(jiǎn)單地得到一些力學(xué)性質(zhì)結(jié)果,但忽略了關(guān)鍵因素的影響。為全面研究I型動(dòng)態(tài)斷裂過(guò)程,著重針對(duì)裂紋擴(kuò)展過(guò)程中速度,加速度與動(dòng)態(tài)斷裂韌度的關(guān)系研究,一改我們過(guò)去采用的壓縮致拉為彎曲拉伸,提出基于巖芯的半圓孔圓盤彎曲(Semi-Circular Holed Disc Bend-SCHDB)試樣。利用霍普金森壓桿沖擊SCHDB完成I型動(dòng)態(tài)斷裂,用砂巖試樣表面粘貼的應(yīng)變片和裂紋擴(kuò)展計(jì)詳盡監(jiān)測(cè)裂紋的斷裂過(guò)程。實(shí)驗(yàn)表明在裂紋起裂后,由于反射應(yīng)力波的影響,導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速度增大到臨界值后上下振蕩。采用實(shí)驗(yàn)-數(shù)值-解析法得到擴(kuò)展裂紋的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子K_I~d(t),其時(shí)間歷程呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),即使裂紋擴(kuò)展速度相同,減速過(guò)程的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展韌度比加速過(guò)程的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展韌度更大。最后,綜合Freund和Fineberg的理論研究結(jié)果提出受裂紋擴(kuò)展速度和加速度影響的能量釋放率公式,實(shí)驗(yàn)結(jié)果也符合公式所揭示的規(guī)律。
【學(xué)位授予單位】：成都理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TU45
【圖文】：

非穩(wěn)態(tài)斷裂慮成一個(gè)載荷上升造成預(yù)先存在裂紋突然加速的過(guò)態(tài)：（1）無(wú)裂紋擴(kuò)展時(shí)的加載；（2）裂紋的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展速度是一個(gè)常數(shù)）；（3）裂紋的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展（裂紋擴(kuò)roberg, 1999）。在之前的研究中，斷裂力學(xué)研究主要裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展以及動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用下的裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展過(guò)程中將裂紋擴(kuò)展速度限制成一個(gè)常數(shù)，這個(gè)限理，但從物理學(xué)上考慮是不合適的（Freund, 1990）。速運(yùn)動(dòng)時(shí)，邊值問(wèn)題通常都被考慮為線性的，得到的的，這種問(wèn)題在采用復(fù)變函數(shù)和積分變換技術(shù)來(lái)分析有效的。但當(dāng)裂紋尖端運(yùn)動(dòng)速度不同時(shí)，裂紋尖端力相似，上述處理技術(shù)就不再適用，如圖 1-2 所示。

件的 plane82 平面應(yīng)變單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格單元，共 5386 個(gè)單元，16550 個(gè)節(jié)點(diǎn)。本文對(duì)=0.5~0.9，量綱一化裂紋長(zhǎng)度 α=a/R=0.5~1強(qiáng)度因子 Yi的標(biāo)定。介于以往研究 DCDC個(gè)尺寸 0.267，0.3 即可。II 型 SIF 表達(dá)式如下：( , ) ( , )i iPK Y i I IId w ( , ) ( I,II)iiK w dY iP 的應(yīng)力強(qiáng)度因子；α 為量綱一化的裂紋長(zhǎng)孔中心距離，ε=d/R；P 為施加在平臺(tái)上的ε 的函數(shù)。圖中 ε=d/R=0 的情況就是 SCD

（2）已知測(cè)速區(qū)域長(zhǎng)度，結(jié)合炮彈自身長(zhǎng)度可精準(zhǔn)計(jì)算出炮彈的沖擊速度。炮彈 入射桿 透射桿vSGtSGi i(t) t(t)波形整形器吸能桿圖 3-1 SHPB 裝置加載示意圖CPG r(t)SCHDB阻尼器Ultra-dynamic strainamplifierTransient wave recorderData processing systemlil1ltl2

【參考文獻(xiàn)】

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1 余壽文;;斷裂力學(xué)的歷史發(fā)展與思考[J];力學(xué)與實(shí)踐;2015年03期

2 王啟智;;對(duì)圓盤、圓環(huán)和圓孔研究與應(yīng)用的感悟[J];力學(xué)與實(shí)踐;2015年03期

3 張財(cái)貴;周妍;楊井瑞;王啟智;;用SHPB徑向沖擊邊裂紋平臺(tái)圓環(huán)(ECFR)的動(dòng)態(tài)斷裂實(shí)驗(yàn)[J];煤炭學(xué)報(bào);2015年05期

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本文編號(hào)：2789722