爆炸荷载作用下两平行裂纹对扩展中裂纹的影响规律

用实验和数值模拟方法，研究在爆炸载荷下岩体内部一对平行裂纹对扩展主裂纹的影响规律。实验中，采用带有中心装药孔及预制裂纹的砂岩圆盘试件，利用由示波器、超动态应变仪及裂纹扩展计所组成的测试系统，监测主裂纹扩展速度和扩展距离；数值模拟中，采用了AUTODYN软件进行，模拟了主裂纹及两平行裂纹的扩展规律，对岩石材料，采用线性状态方程及最大拉应力失效准则，并在两平行裂纹间设置相应的观测点记录应力曲线。通过实验与数值模拟分析，得到:爆炸载荷下，紧随冲击波后的稀疏波经过两平行裂纹面反射后变成压缩波，并在两平行裂纹间产生垂直于主裂纹扩展方向的压应力，对裂纹的扩展有压制、止裂作用；而且，这种压应力的大小与两平行裂纹的间距有关，进而导致了不同的止裂效果，影响裂纹的扩展速度及最终扩展长度。     

切槽孔爆破动态力学特征的动焦散线实验

应用爆炸加载的透射式动焦散线测试系统，分析了有机玻璃切槽孔爆破模型的裂纹动态特征变化规律。比较了不同切槽角度、切槽深度的定向断裂裂纹尖端的扩展长度、扩展速度和动态应力强度因子。初步探讨了切槽爆破的动态效应，研究表明切槽孔爆破早期裂纹破坏模式为爆炸拉应力波作用下的I型快速扩展裂纹，裂纹尖端拉应力集中积聚的较大应变能维持了爆炸裂纹进一步扩展，裂纹尖端扩展后期表现为P波、S波共同作用下的复合型扩展特征。切槽角为60时获得的定向断裂效果最好，合理切槽深度为炮孔半径的1/4～1/2。     

爆炸应力波对高速扩展裂纹影响的动态光弹性试验研究

本文用动态光弹性模拟试验和分析方法,观察和分析研究了爆炸应力波对高速扩展的运动裂纹扩展方向和扩展速度的影响过程和机理。结果表明:当[裂纹扩展方向与入射膨胀波(P波)波阵面法线的夹角]=0时,P波的作用不会改变裂纹的扩展方向,但使其扩展速度发生变化,入射剪切波(S波)能使裂纹改变扩展方向;当0/2时,P波和S波都能改变裂纹扩展方向,而且,P波使裂纹扩展速度降低,S波使裂纹扩展速度提高。这一试验研究对于理解爆炸、冲击载荷与扩展裂纹相互作用的机理,对于理解控制、光面、预裂爆破中相邻炮孔之间后爆炮孔产生的应力波与先爆炮孔壁上产生的裂纹的相互作用具有理论和实际意义。     

定向断裂控制爆破的空孔效应实验分析

采用新型数字激光动态焦散线实验系统, 对爆炸荷载作用下空孔周围的动应力场分布及空孔对爆生主裂纹扩展行为的影响进行了研究。研究结果表明, 在空孔周围强应力场的影响下, 2条相向扩展的爆生主裂纹逐渐向空孔处偏转, 并在空孔处贯通; 空孔附近的主应力方向与炮孔连心线夹角基本稳定在约12°, 增大空孔尺寸对空孔附近的主应力方向影响不明显; 爆炸应力波与空孔相互作用, 产生反射拉伸波, 改变了主裂纹尖端的应力场, 降低了主裂纹的扩展速度, 且空孔直径越大, 主裂纹的扩展速度越低; 当爆生主裂纹扩展到空孔附近时, 主裂纹尖端动态应力强度因子再次出现上升的趋势。     

爆炸载荷下裂纹扩展方向预测的研究

借助动态焦散线方法测试结果,对裂纹尖端初始曲线范围内的第二应力张量不变量分布进行了分析,并通过Det.(iσj)准则对爆炸载荷下裂纹扩展的方向及临界条件进行预测。结果表明,爆炸应力波作用下,裂纹尖端初始曲线范围内第二应力张量不变量最大值与裂纹尖端动态应力强度因子有相同的变化规律,完全可以反映裂纹尖端的动态行为。Det.(iσj)准则用于分析爆炸应力波作用下缺陷介质裂纹扩展行为是十分有效的,特别是对于裂纹起始扩展方向及扩展临界条件有准确的描述。     

爆炸应力波作用下动、静裂纹相互作用的实验研究

采用数字激光动态焦散线测试系统，研究爆炸应力波作用下动裂纹与预制静裂纹(水平夹角为90°、150°)相互作用机理，以及裂纹扩展的动态行为。结果表明:(1)在动、静裂纹贯通之前，静裂纹两端便出现焦散斑，动、静裂纹贯通以后，静裂纹沿爆炸应力波传播方向扩展，并且扩展速度小于动裂纹扩展速度，也小于无静裂纹时动裂纹扩展速度; (2)静裂纹存在时，动裂纹扩展的总体长度减小。动裂纹起裂时间缩短，扩展速度基本不受静裂纹的影响，裂纹应力强度因子值大于静裂纹两端值; (3)随着静裂纹水平夹角的增大，动、静裂纹贯通时动裂纹沿水平方向偏转距离增大，静裂纹B端反向扩展与动裂纹相互“咬合”，C端裂纹扩展位移和速度增大。     

反射型云纹法在岩石爆破机理研究中的应用

利用反射型动态云纹实验方法，对爆炸载荷作用下岩石平板试件中应力波传播及裂纹动态扩展进行研究，给出了高速转镜相机记录到的岩石平板爆炸加载实验时的动态云纹图。根据动态云纹图分析了炸药爆炸产生的应变场，并对裂纹的形成及其扩展速度的变化趋势进行了讨论。     

爆炸处理时裂纹动态扩展行为的研究

本文研究爆炸处理时裂纹在应力波作用下的动态扩展行为,分别讨论了入射波、反射波和应力波持续时间的作用,并根据线弹性断裂力学复合型准则和动态断裂准则对裂纹的扩展进行了分析,作者建议用吸能块的办法控制爆炸处理时裂纹的扩展,并作了实验验证。     

含偏置裂纹三点弯曲梁的动态断裂行为研究

采用动态焦散线方法，对含偏置裂纹三点弯曲梁承受横向冲击的弯曲断裂行为进行了一系列动态断裂力学实验研究，分析了无量纲量ａ／ｌ的改变（ａ——初始裂纹偏离梁中心线的距离；ｌ——梁长度的一半）对于裂纹动态扩展行为（裂纹起始状态、裂纹尖端的复合应力强度因子、裂纹扩展速度、裂纹扩展轨迹）的影响，并借助动态光弹性应力分析，对应力波与扩展裂纹的相互作用以及应力波传播规律进行探讨．给出了裂纹尖端复合应力强度因子、裂纹扩展速度的变化、裂纹曲裂轨迹以及方向与梁中应力波传播的相互关系     

含节理岩体爆生裂纹扩展的动焦散模型实验研究

应用动态焦散线测试系统,模拟含节理岩体断裂爆破过程,进行了PMMA模型透射式动态焦散线实验,着重研究了爆炸初始裂纹与节理面不同夹角的情况下,裂纹尖端动态应力强度因子的变化规律,裂纹穿过节理面的扩展规律,以及裂纹扩展速度的变化规律。实验结果分析表明,爆生裂纹穿过节理面时,裂纹尖端的动态应力强度因子和裂纹扩展速度显著下降,穿过节理面后,应力强度因子又有所增强;裂纹穿过节理面时,裂纹会沿节理面偏离一段距离后沿初始裂纹方向继续扩展。研究结果可以为节理岩体的断裂爆破提供理论依据。     

缺陷介质切槽爆破断裂行为的动焦散线实验

利用数字激光动态焦散线实验系统，对含缺陷介质在切槽爆破和普通炮孔爆破中爆生裂纹的断裂行为进行对比研究。结果表明，切槽爆破中沿切槽方向起裂的主裂纹比非切槽方向早10 μs，有利于能量优先沿切槽方向释放；切槽方向主裂纹的起裂韧度为0.58 MN/m3/2，其裂纹扩展的平均速度为277 m/s，分别是普通爆破时主裂纹相应值的54%和86%；当切槽方向主裂纹与缺陷介质贯通后，为爆生气体提供了足够的膨胀空间，诱导爆生气体向预制裂纹两端释放，翼裂纹起裂以Ⅰ型拉伸破坏为主，并在裂纹扩展的60~250 μs内，Ⅰ型动态应力强度因子保持在0.6~0.8 MN/m3/2，形成了明显的平台，延缓了翼裂纹扩展速度的衰减，最终较普通炮孔翼裂纹扩展时间和扩展长度分别增加了22.7%和17.8%。     

基于DIC的爆炸加载下脆性材料裂纹扩展规律的试验研究

通过数字图像相关法（DIC），应用PMMA对爆炸加载条件下脆性材料的裂纹扩展规律进行了试验研究。基于对称性试验模型，实现了裂纹尖端位置和应变场信息的同步记录。以此为基础，通过对比分析获知，主应变场应变值最大点不能作为裂纹尖端的判断依据。并以动态裂纹扩展速度为参量，应用断裂动力学和最小二乘牛顿迭代法，计算出了考虑惯性效应的Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹的应力强度因子:K_Ⅰ和K_Ⅱ值会随着裂纹扩展方向改变而发生突变；K_Ⅰ最大值为2.63 MPa·m1/2，最小值为0.89 MPa·m1/2；其整体变化趋势表明，爆炸加载条件下脆性材料裂纹扩展随能量积聚和释放呈循环阶梯式递减发展。     

裂纹扩展速度对焦散线的影响和动态应力光学常数的测定

本文从焦散线形成原理的数学描述出发,用扩展裂纹尖端附近的应力分量表达式,在前人工作的基础上,作了详细的数值计算。特别分析了裂纹扩展速度对焦散斑和初始曲线的形状、大小的影响,为测量扩展裂纹尖端的动态应力强度因子K_1~d提供了依据,并通过拟合得到了以裂纹扩展速度为参量的修正因子表达式。本文还提出了一种测定透明材料动态应力光学常数的方法,并用这一方法测定了有机玻璃的动态应力光学常数。     

Dynamic stress intensity factor KⅢ and dynamic crack propagation characteristics of anisotropic materials

Based on the mechanics of anisotropic materials,the dynamic propagation problem of a mode Ⅲ crack in an infinite anisotropic body is investigated.Stress,strain and displacement around the crack tip are expressed as an analytical complex function,which can be represented in power series.Constant coefficients of series are determined by boundary conditions.Expressions of dynamic stress intensity factors for a mode Ⅲ crack are obtained.Components of dynamic stress,dynamic strain and dynamic displacement around the crack tip are derived.Crack propagation characteristics are represented by the mechanical properties of the anisotropic materials,i.e.,crack propagation velocity M and the parameter α.The faster the crack velocity is,the greater the maximums of stress components and dynamic displacement components around the crack tip are.In particular,the parameter α affects stress and dynamic displacement around the crack tip.     

含预制裂纹L形梁柱试件动态断裂过程

针对含预制裂纹L形梁柱试件，为研究预制裂纹动态扩展的力学特征及其对梁柱试件破坏模式的影响，采用数字动态焦散线实验系统，对距节点核心区不同距离l处含有预制裂纹的试件进行落锤冲击实验，得到预制裂纹的扩展轨迹、速度、动态应力强度因子的变化规律。结果表明，l值增大，扩展裂纹在梁下边缘的贯通点与预制裂纹的夹角逐渐增大，曲裂程度变大。裂纹扩展速度随着l的增大振荡性增强，裂纹扩展平均速度逐渐降低。l值为2 mm时，裂尖表现为Ⅰ型断裂，l值增大，裂尖受到剪应力作用增强，Ⅰ型动态应力强度因子减小，Ⅱ型动态应力强度因子增大，断裂逐渐转变为Ⅰ-Ⅱ复合型。     

Dynamic stress intensity factor K III and dynamic crack propagation characteristics of anisotropic materials

Based on the mechanics of anisotropic materials, the dynamic propagation problem of a mode Ⅲ crack in an infinite anisotropic body is investigated. Stress, strain and displacement around the crack tip are expressed as an analytical complex function, which can be represented in power series. Constant coefficients of series are determined by boundary conditions. Expressions of dynamic stress intensity factors for a mode Ⅲ crack are obtained. Components of dynamic stress, dynamic strain and dynamic displacement around the crack tip are derived. Crack propagation characteristics are represented by the mechanical properties of the anisotropic materials, i.e., crack propagation velocity M and the parameter ~. The faster the crack velocity is, the greater the maximums of stress components and dynamic displacement components around the crack tip are. In particular, the parameter α affects stress and dynamic displacement around the crack tip.     

Brittle fracture dynamics with arbitrary paths. II. Dynamic crack branching under general antiplane loading

The dynamic propagation of a bifurcated crack under antiplane loading is considered. The dependence of the stress intensity factor just after branching is given as a function of the stress intensity factor just before branching, the branching angle and the instantaneous velocity of the crack tip. The jump in the dynamic energy release rate due to the branching process is also computed. Similar to the single crack case, a growth criterion for a branched crack is applied. It is based on the equality between the energy flux into each propagating tip and the surface energy which is added as a result of this propagation. It is shown that the minimum speed of the initial single crack which allows branching is equal to 0.39c, where c is the shear wave speed. At the branching threshold, the corresponding bifurcated cracks start their propagation at a vanishing speed with a branching angle of approximately 40°.     

Effects of fractal crack

Experimental results indicate that propagation paths of cracks in geomaterials are often irregular, producing rough fracture surfaces which are fractal. In this paper, crack tip motion along a fractal crack trace is discussed. A fractal kinking model of the crack extension path is established to describe irregular crack growth. The length, velocity and kinking effects of the fractal crack are analysed. A formula is derived to describe the effects of fractal crack propagation on the dynamic stress intensity factor and on crack velocity. Finally, expressions of stress and displacement fields near the fractal crack tip are given.     

The determination of dynamic fracture toughness of AISI 4340 steel by the shadow spot method

Dynamic crack propagation experiments have been performed using wedge loaded double cantilever beam specimens of an austenitized, quenched and tempered 4340 steel. Measurements of the dynamic stress intensity factor have been made by means of the optical method of caustics. The interpretation of experimental data, obtained from the shadow spot patterns photographed with a Cranz-Schardin high speed camera, is based on an elastodynamic analysis. The instantaneous value of the dynamic stress intensity factor K^d_I is obtained as a function of crack tip velocity. Finally, the interaction of reflected shear and Rayleigh waves with the moving crack tip stress field is considered.