斷裂力學(xué)是各領(lǐng)域基礎(chǔ)科學(xué),材料內(nèi)裂紋相互作用是斷裂力學(xué)的重要研究領(lǐng)域,但目前球體內(nèi)裂紋相互作用研究成果較少�；谌S激光疲勞內(nèi)裂紋（3D-ILC）技術(shù),在對(duì)球體試樣表面無任何損傷的情況下,制作三維平行純內(nèi)裂紋,開展45°傾角平行雙內(nèi)裂紋單軸壓縮試驗(yàn),對(duì)雙內(nèi)裂紋的裂紋擴(kuò)展過程、應(yīng)力雙折射規(guī)律、斷口特征、破壞形態(tài)、相互作用等多方面開展研究,進(jìn)行含雙內(nèi)裂紋Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型圓球斷裂數(shù)值模擬,分析KⅠ、KⅡ、KⅢ分布規(guī)律,與試驗(yàn)相符。結(jié)果表明:（1）球體雙內(nèi)裂紋在單軸壓縮下之間發(fā)生屏蔽作用,主裂紋面穿過兩預(yù)制內(nèi)裂紋;（2）翼型裂紋光滑區(qū)呈現(xiàn)Ⅰ-Ⅱ型裂紋斷口特征,翼型裂紋側(cè)面撕裂區(qū)呈現(xiàn)"矛狀"Ⅲ型裂紋特征;（3）基于M積分計(jì)算的KⅠ、KⅡ、KⅢ分析與基于斷裂特征的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型裂紋類型分析一致。3D-ILC技術(shù)可用于球體內(nèi)裂紋相互作用斷裂試驗(yàn)研究,球體內(nèi)裂紋試驗(yàn)與理論分析為脆性材料內(nèi)裂紋擴(kuò)展及相互作用研究提供試驗(yàn)與理論參考。 

【文章來源】：巖土力學(xué). 2019,40(12)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：9 頁(yè)

【部分圖文】：

圖4位移力值曲線Fig.4Displacement-forcecurve

不相交。兩條裂紋分別為上裂紋、下裂紋（為方便后續(xù)對(duì)兩條內(nèi)裂紋進(jìn)行區(qū)分），裂紋直徑約22mm，兩裂紋間距為15mm，裂紋面與水平向傾角為45o（與垂直加載方向夾角為45o），兩裂紋中心連線中點(diǎn)為球體的圓心。圖1含雙內(nèi)裂紋圓球試樣Fig.1Spherespecimenwithdoubleembeddedcracks2.5加載儀器系統(tǒng)試驗(yàn)儀器采用WHY3000伺服壓載系統(tǒng)，單軸壓縮加載，力值控制模式，速率0.05kN/s；周邊設(shè)置高清攝像頭實(shí)時(shí)捕捉監(jiān)測(cè)裂紋不同角度的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展變化；放置聚光燈調(diào)節(jié)光線。試驗(yàn)儀器布置如圖2所示。圖2加載系統(tǒng)Fig.2Loadingsystem由于脆性試驗(yàn)中應(yīng)力集中較為敏感，試樣端部易因不平整或不光滑而產(chǎn)生應(yīng)力集中影響試驗(yàn)質(zhì)量，為避免應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)減少端部摩擦效應(yīng)，在試樣頂部與底部各放置一塊厚度3mm的光滑PMMA板。2.6雙折射效應(yīng)的應(yīng)用玻璃等非晶介質(zhì)在無應(yīng)力狀態(tài)下通常呈現(xiàn)光學(xué)各向同性，當(dāng)外力作用施加，材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變，折射率特征因此發(fā)生改變，顯示出光學(xué)各向異性，這與應(yīng)力分布有關(guān)，即當(dāng)平面偏振光垂直射入有內(nèi)應(yīng)力的玻璃時(shí)，將產(chǎn)生傳播速度不同的兩束光線，遵循折射定律的尋常光o和不遵循折射定律的非常光e，此為應(yīng)力雙折射現(xiàn)象。o和e頻率、振動(dòng)方向相同，存在固定相位差，可產(chǎn)生干涉條紋，由此效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)試樣端部、裂紋周圍應(yīng)力場(chǎng)分布及動(dòng)態(tài)變化觀測(cè)，判定應(yīng)力集中，并糾正試驗(yàn)偏心。依據(jù)應(yīng)力光學(xué)定律[18]：當(dāng)入射光入射試驗(yàn)對(duì)象時(shí)，由于雙折射效應(yīng)，主應(yīng)力與相應(yīng)的折射率有如下關(guān)系：121212nn(CC)()（1）式中：1、2分別為試樣在壓載作用下主應(yīng)力；n1、n2分別為1

4736巖土力學(xué)2019年圖6翼裂紋分區(qū)圖Fig.6Partitionmapofwingcracks傾向于純I型裂紋擴(kuò)展，與試樣破壞時(shí)出現(xiàn)豎直裂紋現(xiàn)象一致。4.4III型裂紋下twisthackle特征（撕裂區(qū)）撕裂區(qū)細(xì)節(jié)形態(tài)見圖7，外文稱“twisthackle”[15]、“l(fā)ances”[21]，中文稱“矛頭”、“魚叉”、“河流”。圖7矛狀裂紋Fig.7Partitionmapofspearcracks撕裂區(qū)裂紋每個(gè)裂隙表面都從原來的裂隙平面上旋轉(zhuǎn)，以響應(yīng)主張力軸的橫向旋轉(zhuǎn)或扭轉(zhuǎn)發(fā)生改變，存在多級(jí)支點(diǎn)，靠近內(nèi)裂紋尖端側(cè)數(shù)量密集，線形較細(xì)，外側(cè)邊緣線形較粗。撕裂區(qū)裂紋擴(kuò)展的局部方向是從線形數(shù)量較多的分支特征向收斂性和線形數(shù)量較少的方向發(fā)展，沿著該擴(kuò)展方向，裂紋擴(kuò)展路徑清晰可見，由多并一，逐漸匯流、合并，匯集為較粗的母支，形成類似矛狀裂紋特征。翼裂紋外側(cè)邊緣呈不連續(xù)缺口，明顯在內(nèi)裂紋平面法線方向以及平行于內(nèi)裂紋平面共同受到剪切撕裂作用，發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，通過裂紋前端的斷裂而容納成許多平行但非共面的節(jié)段。然后是橫向斷裂，允許分開的裂紋連接，從而在矛狀裂紋邊緣形成“線”或“臺(tái)階”，認(rèn)為撕裂區(qū)裂紋是在I-II-III復(fù)合型裂紋作用下所產(chǎn)生。5破壞形態(tài)含45o內(nèi)裂紋試樣最終破壞形態(tài)如圖8所示。裂紋類型可分為：上翼裂紋，下翼裂紋，主裂紋。臨近峰值荷載時(shí)，下裂紋下端擴(kuò)展速度加快，迅速向試樣底端加載點(diǎn)逼近，翼裂紋影響范圍越來越大，進(jìn)而主裂紋面在底端加載點(diǎn)附近產(chǎn)生，連通上、下裂紋后迅速向頂端加載點(diǎn)擴(kuò)展，最終將整個(gè)球體劈裂。此過程中，主裂紋面在靠近上、下翼裂紋面時(shí)，發(fā)生局部彎曲，與翼裂紋面局部重合，并在試樣斷口上、下端形成明顯凹凸弧狀曲面，凹面部分光滑平整，凸面部分認(rèn)為由于受到二次沖擊破壞形成弧狀

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于3D-ILC含不同角度內(nèi)裂紋圓盤斷裂特性研究[J]. 王海軍,張九丹,任然,湯雷,郁舒陽(yáng),鐘凌偉,張珂.  巖土工程學(xué)報(bào). 2019(09)
[2]基于3D-ILC含內(nèi)裂紋孔口脆性固體斷裂特性試驗(yàn)[J]. 王海軍,郁舒陽(yáng),任然,湯雷,李欣昀,賈宇.  巖土力學(xué). 2019(06)
[3]無序性對(duì)脆性材料沖擊破碎的影響[J]. 陳興,馬剛,周偉,賴國(guó)偉,來志強(qiáng).  物理學(xué)報(bào). 2018(14)
[4]脆性巖石中裂紋速度效應(yīng)的試驗(yàn)研究[J]. 劉彩平,段慶全.  金屬礦山. 2010(04)
[5]含微裂紋材料的損傷理論[J]. 高玉臣,朱葳.  力學(xué)學(xué)報(bào). 1987(06)



本文編號(hào)：3486209