沖擊載荷作用下含孔洞缺陷介質(zhì)斷裂行為研究.pdf

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第25卷第8期中國(guó)礦業(yè)VoL25，NO．82016年8月CHINAMININGMAGAZINEAug．2016礦業(yè)縱橫沖擊載荷作用下含孔洞缺陷介質(zhì)斷裂行為研究李清，郭洋，韓通，楊鳴澤，徐文龍(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083)摘要：采用新型數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)含孔洞缺陷和預(yù)制邊裂紋的半圓盤試件進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用下，試件邊裂紋處的應(yīng)力集中程度較試件內(nèi)部的孔洞缺陷處的應(yīng)力集中程度更加顯著；當(dāng)孔洞位于裂紋前方時(shí)，孔洞對(duì)裂紋的擴(kuò)展速度有抑制作用，且這種抑制作用隨著孔洞與邊裂紋尖端距離的增加有所減弱；當(dāng)裂紋再次從孔洞處起裂時(shí)，裂紋的擴(kuò)展速度和應(yīng)力強(qiáng)度因子和裂紋與孔洞貫通前相比，均出現(xiàn)較大的上升，試件sl、s2中，裂紋擴(kuò)展速度分別上升了1070、138，相應(yīng)的裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子分別上升了61、67；裂紋的擴(kuò)展速度與裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子呈一定的正相關(guān)性，但受裂紋前方附近孑L洞周圍應(yīng)力場(chǎng)的影響，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子有一定提高。關(guān)鍵詞：焦散線；動(dòng)態(tài)沖擊載荷；孔洞缺陷；動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子；裂紋擴(kuò)展速度中圖分類號(hào)：TU45文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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天然巖體中存在著大量的節(jié)理、層理、孔洞等沖擊載荷作用下缺陷介質(zhì)中，缺陷的位置及其缺陷缺陷，在動(dòng)態(tài)載荷作用下，介質(zhì)往往由于缺陷所處之間的相對(duì)距離對(duì)材料動(dòng)態(tài)斷裂特性的影響具有的位置不同而表現(xiàn)出不同的斷裂特性，因此，研究重要的現(xiàn)實(shí)意義，很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。邊亞東等運(yùn)用動(dòng)焦散線方法對(duì)含雙平行裂紋有機(jī)玻璃試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，并分析其斷裂特性l1]。陳收稿日期：2016-01-20愛軍等提出了對(duì)含邊裂紋三點(diǎn)彎曲試件測(cè)定應(yīng)力基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：51374212，51134025)強(qiáng)度因子新方法_2]，并得到了其隨裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度和作者簡(jiǎn)介：李清(1969一)，男，湖南岳陽人，博士，教授，主要從事爆破工程及土木工程方面的教學(xué)與研究工作。E-mail：liq@cumtb．edu．cn。加載速率的變化規(guī)律。姚學(xué)鋒等]運(yùn)用Det．準(zhǔn)則通訊作者：郭洋(1989一)，女，遼寧錦州人，博士。E—mail：與焦散線相結(jié)合的方法對(duì)動(dòng)載荷作用下裂紋起裂kuangdaguoyang@sina．cn條件以及裂紋擴(kuò)展方向進(jìn)行了分析。楊仁樹等對(duì) 第8期李清，等：沖擊載荷作用下含孔洞缺陷介質(zhì)斷裂行為研究含裂紋缺陷材料進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，研究分析了敏感波長(zhǎng)范圍內(nèi)。綜合考慮，本次試驗(yàn)的拍攝速率主裂紋以及次裂紋的擴(kuò)展行為。林鵬等【5]根據(jù)材料為1．5×10fps。落錘質(zhì)量為1．5kg，下落的高度為中缺陷的尺寸提出了裂紋和空孔的臨界值，并對(duì)其36cm。實(shí)驗(yàn)時(shí)，嚴(yán)格保證每次落錘下落的高度進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究缺陷尺寸對(duì)材料強(qiáng)度的影一致。響。黃明利等對(duì)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析l光線集中區(qū)了含不同偏置位置裂紋介質(zhì)的斷裂模式]。賈敬輝+等采用數(shù)值模擬方法從加載峰值和材料的均勻度兩個(gè)方面對(duì)含偏置邊裂紋介質(zhì)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)進(jìn)行l(wèi)陰影區(qū)研究，得到了兩種斷裂模式變換時(shí)所對(duì)應(yīng)的偏置邊-LI裂紋的位置l7]。肖同社等運(yùn)用焦散線方法對(duì)含節(jié)理光線集中區(qū)缺陷介質(zhì)動(dòng)態(tài)斷裂特性進(jìn)行了研究]。岳中文等對(duì)含不同角度邊裂紋材料進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，得到隨著邊裂紋與加載方向的夾角的變化，裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子、裂紋擴(kuò)展速度等均產(chǎn)生變化[g]。李清等撬分析了含雙裂紋材料三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)中各動(dòng)態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律口。這些學(xué)者對(duì)含裂紋缺陷介質(zhì)動(dòng)態(tài)回二斷裂行為進(jìn)行了研究，然而對(duì)孔洞缺陷材料的動(dòng)態(tài)束鏡斷裂行為的研究還存在很多不足，尤其對(duì)孔洞位置對(duì)材料斷裂行為的影響問題研究尚鮮有報(bào)道。利用焦散線實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用圖2實(shí)驗(yàn)光路示意圖下，缺陷介質(zhì)中的孔洞位置對(duì)動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展行為的1．2實(shí)驗(yàn)試件影響進(jìn)行了研究，著重分析了裂紋擴(kuò)展速度和裂紋在實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用有機(jī)玻璃材料研究裂紋擴(kuò)展和尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子等參數(shù)在裂紋擴(kuò)展的不同階段相關(guān)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子等參數(shù)。有機(jī)玻璃是光中的演化規(guī)律。學(xué)同性材料，具有較高的光學(xué)常數(shù)并且產(chǎn)生單焦散1動(dòng)態(tài)焦散線方法和實(shí)驗(yàn)方法線，提高了實(shí)驗(yàn)的精度。其動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)：縱波波1．1動(dòng)態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)速C為2320m／s，橫波波速C。為1260m／s，動(dòng)態(tài)彈圖1為焦散線成像示意圖。當(dāng)一束平行光垂直性模量Ed為6．1GPa，動(dòng)態(tài)泊松比為0．28，光學(xué)穿過試件時(shí)，光路不發(fā)生改變。但是當(dāng)光束穿過受常數(shù)C為一0．80×10。m／N。實(shí)驗(yàn)所選用半圓盤拉(或壓)試件時(shí)，試件的厚度和折射率就會(huì)隨之發(fā)試件，半徑為60mm，厚度為4mm，圓心處設(shè)置一條生改變。此時(shí)，當(dāng)平行光線穿過試件的這一區(qū)域邊裂紋，其垂直于邊緣，長(zhǎng)度為8ram，另外在與邊裂時(shí)，原先平行的光線就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并在試件后的紋共線處設(shè)置空孑L作為孔洞缺陷，直徑為4ram，試空間中形成一個(gè)三維的包絡(luò)面，這個(gè)包絡(luò)面(包含件S1中空孔的圓心距邊裂紋尖端距離為10mm，試面所形成的曲面)稱為焦散曲面。若在距離試件表件S2中空孔的圓心距邊裂紋尖端距離為20mm。面(表現(xiàn))一定距離的Z。處放置一個(gè)與模型試件表1．3實(shí)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算面平行的參考平面，則在參考平面上就可以觀察到為了獲得裂紋擴(kuò)展速度和斷裂參數(shù)提出函數(shù)焦散曲面在Z。處的橫斷面圖像，圖像上觀察到一組擬合方法計(jì)算裂紋擴(kuò)展的實(shí)際長(zhǎng)度(式(1))，而裂亮線，就是焦散線，由亮線包圍著的暗區(qū)就是焦紋擴(kuò)展速度可以通過位移函數(shù)對(duì)時(shí)間(試件)進(jìn)行散斑。求導(dǎo)。基于沖擊載荷作用下擴(kuò)展裂紋尖端焦散斑圖2為新型數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線試驗(yàn)系統(tǒng)，該圖像，裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子可以按式(2)計(jì)算。系統(tǒng)由激光器、擴(kuò)束鏡、透鏡、沖擊加載裝置、高速數(shù)字相機(jī)以及計(jì)算機(jī)組成。其中，高速數(shù)字相機(jī)為V=L(￡)(1)美國(guó)制造的，型號(hào)為Fastcam—SA5，在實(shí)驗(yàn)過程中記K，一D號(hào)(2)錄動(dòng)態(tài)焦散斑瞬間圖像以及裂紋擴(kuò)展的全過程，其3(3．17)言z0最大拍攝速率為10fps。實(shí)驗(yàn)選用綠色激光光源作式中：K為應(yīng)力強(qiáng)度因子；為參考平面到試件之為實(shí)驗(yàn)光源，該光源的波長(zhǎng)處于高速數(shù)字相機(jī)的最間的距離；為試件的有效厚度；c為光學(xué)常數(shù)；D 第8期李清，等：沖擊載荷作用下含孔洞缺陷介質(zhì)斷裂行為研究1293．3裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子紋尖端釋放的能量主要轉(zhuǎn)化為三個(gè)方面：①新增裂圖6為兩種試件裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子K隨紋擴(kuò)展表面的表面能；②因試件平移和轉(zhuǎn)動(dòng)而消耗時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，在裂紋起裂之的能量；③裂紋擴(kuò)展的動(dòng)能。由于試件平移和轉(zhuǎn)動(dòng)前，兩種試件邊裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化情消耗的能量在裂紋起裂擴(kuò)展階段一般較少，可忽略況基本一致，進(jìn)一步說明了不同的空孔位置對(duì)邊裂不計(jì)。因此，若假定裂紋的斷裂能不變，則裂紋尖紋尖端能量的積聚基本沒有影響。當(dāng)裂紋擴(kuò)展以端的能量越大，轉(zhuǎn)化為裂紋擴(kuò)展的動(dòng)能也就越多，后，試件s2中裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子繼續(xù)上升，裂紋的擴(kuò)展速度越大。但試件s1中裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子基本保持不4結(jié)論變。這是由于裂紋前方孔洞周圍應(yīng)力場(chǎng)的影響，使1)在動(dòng)態(tài)載荷作用下，試件邊裂紋處的應(yīng)力集裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)增強(qiáng)，導(dǎo)致裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度中程度較試件內(nèi)部的孑L洞缺陷處的應(yīng)力集中程度因子有一定上升。當(dāng)裂紋再次從孔洞處起裂后，裂更加顯著。紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子均迅速增大。此時(shí)，試件S12)當(dāng)孔洞位于裂紋前方時(shí)，孔洞對(duì)裂紋的擴(kuò)展從孔洞處起裂時(shí)的起裂韌度為2．14MN／m，試件速度有抑制作用，且這種抑制作用隨著孔洞與邊裂S2從孔洞處起裂時(shí)的起裂韌度為2．52MN／m。／2，與紋尖端距離的增加而有所減弱。裂紋與孔洞貫通的前應(yīng)力強(qiáng)度因子值相比，分別增3)當(dāng)裂紋再次從孔洞處起裂時(shí)，與裂紋和孔洞加了61和67。隨后，與裂紋的擴(kuò)展速度類似，貫通前相比，裂紋的擴(kuò)展速度和應(yīng)力強(qiáng)度因子均出兩種試件中，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子均表現(xiàn)為迅現(xiàn)較大的上升，試件S1、S2中，裂紋擴(kuò)展速度分別速下降的趨勢(shì)，且在裂紋擴(kuò)展知試件邊緣時(shí)，再次上升1070、138，相應(yīng)的裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子出現(xiàn)小幅上升的趨勢(shì)。分別上升61％、67。4)裂紋的擴(kuò)展速度與裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子呈一定的正相關(guān)性，但受裂紋前方附近孔洞周圍應(yīng)力場(chǎng)的影響，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子有一定提高?！觥鲆粎⒖嘉墨I(xiàn)邊亞東，潘洪科，張玉國(guó)．含雙裂紋三點(diǎn)彎曲梁動(dòng)態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)[J]．礦業(yè)研究與開發(fā)，2013，33(3)：28—32．O陳愛軍，曹俊?。畮Я鸭y三點(diǎn)彎曲試樣的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子分析EJ]．應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2Ol1(2)：194—2O1．圖5裂紋擴(kuò)展速度對(duì)比曲線姚學(xué)鋒，熊春陽，方競(jìng)．含偏置裂紋三點(diǎn)彎曲梁的動(dòng)態(tài)斷裂行為研究fJ]．力學(xué)學(xué)報(bào)，1996，28(6)：22—30．楊仁樹，王雁冰，侯麗冬，等．沖擊荷載下缺陷介質(zhì)裂紋擴(kuò)展的DLDC試驗(yàn)[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33(10)：197卜1976．林鵬，唐春安，黃覬珠，等．脆性介質(zhì)中裂紋與孔洞缺陷的分類與尺度效應(yīng)[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(s2)：2296-2300．黃明利，朱萬成，逄銘彰．動(dòng)載荷作用下含偏置裂紋三點(diǎn)彎曲梁破壞過程的數(shù)值模擬[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，269(S1)：3384-3389．賈敬輝，張永彬．動(dòng)荷載作用下三點(diǎn)彎曲梁的破壞形式與偏置裂紋位置的關(guān)系口]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012(11)：84—87．圖6應(yīng)力強(qiáng)度因子KI隨時(shí)間變化曲線肖同社，楊仁樹，邊亞東，等．含節(jié)理巖體爆生裂紋擴(kuò)展的動(dòng)焦散模型實(shí)驗(yàn)研究[J]．實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2006，21(4)：539—545．結(jié)合圖5和圖6可以看出，裂紋的擴(kuò)展速度與岳中文，楊仁樹，孫中輝，等．含傾斜邊裂紋巖石沖擊斷裂模裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子存在一定的正相關(guān)性。擬試驗(yàn)EJ]．煤炭學(xué)報(bào)，2010(9)：1456—1460．裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子越高，裂紋的擴(kuò)展速度也李清，張迪，楊陽，等．含單側(cè)預(yù)制裂紋梁的沖擊動(dòng)態(tài)斷裂過就越大。從能量的角度看，在裂紋擴(kuò)展過程中，裂程試驗(yàn)研究[J]．振動(dòng)與沖擊，2015(4)：205—210．