压应力场中爆生裂纹分布与扩展特征实验分析

采用动静组合加载实验装置和数字激光焦散线实验系统,进行了0、3、6、9 MPa等4种压应力场中PMMA试件的爆破致裂实验,分析了沿静态主应力方向扩展的裂纹运动学和力学行为。实验结果表明:首先,静态竖向载荷在预制炮孔周围产生应力集中,在炮孔壁上下端部处出现最大拉应力;随后,在动态爆炸载荷的叠加作用下,裂纹优先在炮孔壁上最大拉应力位置处起裂,并沿最大主应力方向扩展;裂纹扩展过程中,静态竖向载荷越大,裂纹扩展速度越大,且裂纹尖端应力强度因子值越大。     

固体炸药损伤破坏实验研究

利用显微观察和数字图像相关处理,对一种固体炸药材料的损伤破坏行为进行了研究,获得了带预制裂纹试件在裂纹尖端附近区域的位移分布,以及微裂纹的诱发和发展历程.断裂过程的结果表明,裂尖的位移分布与裂纹的受载形式有关,而最终断裂的裂纹破坏路径总是趋向于加载方向.通过扫描电镜下的实验观察,发现造型粉颗粒的界面脱落是炸药损伤的主要因素,它的发展会导致微裂纹的产生和发展.     

不同节理角度和地应力条件下岩石双孔爆破的数值模拟

在采矿工程、地下交通工程和水利水电工程等岩体开挖工程中,爆破法仍是一种主要的破岩方法. 实际天然岩体中存在的裂隙、节理等不连续面和所处的地应力场环境,都会对爆破荷载传播过程和最终的破碎效果产生重要影响. 本文把岩石爆破视为爆炸应力波动态作用和爆生气体压力准静态作用两个独立的先后作用过程,同时考虑初始应力场的静态作用,建立岩石爆破的力学模型. 基于渗流方程描述爆生气体在爆生裂纹中的传播过程,进而基于流固耦合理论实现爆生气体准静态压力对裂纹尖端的力学作用. 爆炸应力波主要在孔周引起压碎区和径向微裂纹区,随后爆生气体压力楔入径向裂纹尖端,促使裂纹进一步扩展,形成径向主裂纹. 数值模型可以再现孔周压碎区、径向微裂纹区、径向主裂纹区萌生、扩展的完整演化过程. 针对不同节理角度和地应力条件下岩石双孔爆破过程的数值模拟结果表明,初始地应力场的压应力作用不利于爆生裂纹的萌生与扩展,但节理的存在对裂纹的扩展具有明显的导向和促进作用,有利于爆生裂纹沿节理面方向的扩展.      

不同倾角预制裂纹缺陷与运动裂纹的相互作用

为了研究运动裂纹与不同倾角预制裂纹缺陷之间的作用机制,采用数字激光动态焦散线方法对含不同倾角预制裂纹缺陷的三点弯曲梁进行冲击实验。研究结果表明,在冲击载荷作用下,预制裂纹缺陷尖端均产生了次生裂纹;当运动主裂纹与预制裂纹缺陷贯通时,次生裂纹不会立即起裂,而是经过0~10 μs的能量积蓄后,次生裂纹才起裂;运动主裂纹应力强度因子峰值与次裂纹起裂时的应力强度因子值均随预制裂纹倾角的增大而增大。     

类岩石材料中表面裂纹扩展模式的实验研究

采用粘贴式轴拉方法实现了类岩石材料的直接拉伸实验,通过在类岩石材料试件中预制表面裂纹研究了类岩石材料中表面裂纹的扩展模式.研究发现,粘贴式轴拉方法可以满足一般类岩石材料的直接拉伸实验;类岩石材料中表面裂纹首先从试件正面开始扩展;表面裂纹的存在极大地影响着材料的破坏模式,类岩石材料在试件的正面上会表现出明显的二维穿透性裂纹的扩展形态,但是受其影响裂纹在厚度方向扩展会发生偏转,从而使得试件背面的最终贯通方向没有与加载方向垂直,而是呈一倾角,并且和表面裂纹的倾角和深度有关.     

预制裂纹参数及相对密度对平面多孔结构裂纹扩展的影响

基于有限元仿真和准静态三点弯曲实验研究了预制裂纹参数和相对密度对平面多孔结构板裂纹扩展的影响规律。考虑预制裂纹尺寸、数量、倾角和位置以及多孔结构板的相对密度,共设计9组模型;利用有限元仿真软件获得模型弹塑性阶段的应力图及载荷-位移曲线并进行分析,提出相应规律;同时采用3D打印机熔融丝制备多孔结构模型,利用微机控制电子万能试验机完成三点弯曲实验,并与有限元仿真结果进行拟合分析,验证结论的正确性。结果表明：预制裂纹的尺寸越大、数量越多,则模型抑制裂纹萌生和扩展的能力越强;多孔结构的相对密度对不同的单元形状及单元取向模型抑制裂纹萌生及扩展的影响不同。     

花岗岩动静态压剪复合加载实验研究

岩石为天然含有微裂纹微孔洞等缺陷的复杂介质,其在复杂应力状态,尤其是在压剪应力状态下的性能研究,对工程应用有着十分重要的意义。本文利用双斜面垫块改进现有装置对花岗岩进行了动静态下的压剪复合加载实验,其中静态实验基于MTS材料试验机,动态实验基于分离式Hopkinson压杆（以下简称SHPB）,由此得到不同压剪载荷联合作用下花岗岩的静态和动态力学性能。通过改变倾斜端面的角度就能够得到岩石在不同压剪加载路径下的力学性能,由此可以得到岩石的静动态破坏面。结果表明:花岗岩的破坏强度具有明显的加载速率效应。本研究为探讨岩石在复杂应力状态下的力学性能提供了新的方法。     

一种预制疲劳裂纹的简易装置

为了模拟构件中的尖锐裂纹,断裂力学的试件均需预制疲劳裂纹。常用的预制疲劳裂纹的设备是高频疲劳试验机,但此设备价格昂贵,非一般中小型材料试验室所能拥有。研究一种简易实用的预制疲劳裂纹的装置对于断裂力学     

一种预制疲劳裂纹的简易装置

为了模拟构件中的尖锐裂纹,断裂力学的试件均需预制疲劳裂纹。常用的预制疲劳裂纹的设备是高频疲劳试验机,但此设备价格昂贵,非一般中小型材料试验室所能拥有。研究一种简易实用的预制疲劳裂纹的装置对于断裂力学 ...     

动、静裂纹作用偏置效应的动焦散冲击实验

为了研究冲击荷载作用下脆性材料中运动裂纹与静止裂纹的相互作用，选取动态载荷下断裂行为与岩石材料类似且本身光学特性较好的有机玻璃（PMMA）作为实验材料，试件尺寸为220 mm×50 mm×5 mm，采用激光切割制作长度5 mm的预制裂纹和长度10 mm的静止裂纹，预制裂纹位于试件的底部边缘中心，静止裂纹的中心位于试件水平轴线。将静止裂纹偏置距离作为单一变量，采用数字激光动态焦散实验系统对含不同缺陷的PMMA进行三点弯曲实验，并结合几何分形理论研究不同偏置距离下运动裂纹的分形规律。实验结果表明:存在预制裂纹与静止裂纹的临界偏置距离（6 mm），该条件下裂纹轨迹对应的分形维数值最大，裂纹轨迹的规则程度最低，裂纹破坏形态最复杂。当预制裂纹与静止裂纹的偏置距离在0～6 mm时，裂纹Ⅰ起裂后垂直向上扩展一段距离，与静止裂纹交汇，并停滞一段时间后发生二次起裂，直至贯穿试件，偏置距离和交汇点竖向坐标值呈近似线性函数关系。偏置距离的存在不会影响裂纹Ⅰ的起裂时间和应力强度因子，但会显著减小裂纹Ⅱ的动态应力强度因子，且停滞时长随偏置距离的增大而逐渐缩短。当偏置距离大于临界偏置距离时，运动裂纹不再与静止裂纹交汇而是呈拱状向试件上边缘扩展直至贯穿，裂纹的起偏时间、起偏位置也会出现明显的滞后现象。     

不同方位裂隙对爆炸裂纹扩展的影响

为研究裂隙岩体爆炸动载荷作用下裂纹扩展规律,实验采用有机玻璃模型,以炮孔和裂隙相对位置为变量,通过单发雷管加载模型进行相似物理实验。结果表明,当预制裂隙右端圆弧顶点到炮孔中心连线与模型中间穿过炮孔中心的横虚线的夹角θ为0°和90°时,爆生裂纹数量相对较多,45°时爆生裂纹数量最少,但平均长度最长;每组模型总裂纹平均长度在裂隙右端半圆弧顶点到炮孔中心距离L为40mm时达到最大值;0°组各模型最长裂纹均分布在炮孔右侧,而45°和90°组则多分布于炮孔下侧;固定区域内爆生裂纹密度大多小于不定区域内裂纹密度;所有模型预制裂隙两端都能形成翼裂纹,同组模型同端扩展路径相似;L为20~30mm时两端翼裂纹扩展方向一致,L为40~60mm时两端翼裂纹扩展方向多相反;爆生裂纹扩展机制随角度θ变化而有所不同。研究结果可为裂隙岩体爆破设计及爆破参数优化等提供理论依据。     

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%。     

含不同充填物预制裂隙对爆炸裂纹扩展的影响

为了研究充填裂隙岩石动态断裂时裂纹扩展规律,以空气、黏土和水作为有机玻璃的预制裂隙充填材料,在炮孔与预制裂隙的不同夹角、不同距离条件下,通过单发雷管加载,对3种不同裂隙充填物的有机玻璃模型进行了起爆实验。结果表明:爆炸裂纹几乎都不会越过预制裂隙;空气充填模型裂纹总数、左端翼裂纹几乎全部大于黏土和水充填模型;最长裂纹分布位置和长度与反射应力波传播方向和能量有关;空气充填模型右端翼裂纹多随角度增大而增长,黏土充填模型右端翼裂纹则表现为先增后减;爆炸裂纹扩展对充填物种类具有敏感性。     

动载荷作用下微裂纹的增韧分析

在实验研究的基础上，将细观统计力学应用于材料的动态增韧分析中，探索性的研究了在动态载荷作用下微裂纹的增韧机理，并进行了相应的有限元分析计算，得出在动载荷作用下，微裂纹增韧主要表现在微裂纹的快速成核。如果要提高材料在动态情况下的增韧幅值，必须提高增韧颗粒的特征尺寸。     

裂纹尖端张开角准则的稳态裂纹扩展实验研究

ASTM和ISO已发布获得低约束条件下断裂性能和裂纹稳态扩展阻力曲线的标准,标准中采用多种试验方法确定临界裂纹张开角度来表征板材的裂纹稳态扩展。本文采用准静态裂纹扩展试验方法,通过摄像技术测定裂纹尖端张开角(CTOA),验证标准对1mm厚度2024-T3铝合金板稳态裂纹扩展行为的有效性。研究了试样构型、裂纹尺寸和是否疲劳预制裂纹对裂纹稳态扩展过程中CTOA的影响。试验结果表明:裂纹扩展2mm后,距离裂纹尖端1mm处的CTOA趋于一个恒定值6°,这个值与试样构型和裂纹长度无关;同时,不预制疲劳裂纹对CTOA值和试样的最大剩余强度影响较小。     

含随机分布微裂纹的相变颗粒增韧陶瓷材料的强度和刚度预报

本文针对相变颗粒增韧陶瓷基复合材料中存在大量微裂的现象，分析了微裂纹产生的原因，利用作者改进的等效平杂理论，研究了相变陶瓷中微裂纹对材料强度与刚度的影响，通过与Ａｌ２Ｏ３／ＺｒＯ２陶瓷的三点弯曲实验结果的比较表明，理论与实验结果十分接近，说明本文理论模型是合理的，同时也证明了微裂纹对相变陶恣材料的重要影响。     

脆性材料裂纹扩展的分形运动学

大量实验结果表明脆性材料裂纹扩展路径是弯弯曲曲的，不规则的，断裂表面粗糙不平，表现出分形特征。本文应用分形几何推导出脆性材料裂纹扩展的分形运动学公式，得到了动、静态断裂韧性与分形裂纹扩展速度、裂纹长度、微结构特征量δ＿ｃ以及分形维数之间的关系；推导出了裂纹扩展速度的计算公式，得出宏观量测的裂纹扩展速度Ｖ＿０应小于分形裂纹扩展速度Ｖ；并推导出直接根据材料动、静态断裂韧性和裂纹扩展速度Ｖ＿０估算材料裂纹扩展路径的分维计算公式．本文理论分析结果与实验值在定性定量上达到了较好的一致。     

初始应力下岩体爆破损伤特性及破裂机理

钻爆法在岩体开挖工程中应用广泛,其工作效率与岩体结构及地质环境密切相关。初始应力会显著影响岩体爆破裂纹的扩展行为及破坏特征,导致深部岩体超/欠挖等问题。本文采用理论分析和数值模拟相结合的方法研究了不同初始应力下岩体的爆破损伤特性及破裂机理。基于弹性力学建立单孔爆破动静组合理论模型,分析了静态应力分布及动态应力演化特征,揭示了初始应力作用下岩体爆破损伤机制。通过经验公式及动态力学试验对RiedelHiermaier-Thoma (RHT)模型参数进行标定与修正,并结合室内爆破实验及理论结果对数值模型进行验证。此外,在单孔爆破数值模型中分析了爆炸压力演化规律、裂纹扩展行为及分形特征,结果表明数值模拟结果可以较好地论证理论模型的合理性。研究发现：环向拉应力是影响爆破裂纹扩展的重要因素,当初始应力较大时,合理调整环向应力分布可改善岩体爆破碎裂效果,实际工程中可结合预裂技术进行地压调控改变应力分布。     

冲击作用下含预制裂纹梁柱试件的动态断裂

利用焦散线实验系统,进行了冲击加载下含预制裂纹梁柱试件的断裂实验,研究了梁柱试件的梁柱节点、梁上和柱端裂纹的扩展轨迹、扩展速度和应力强度因子的变化规律。实验结果表明:受冲击后,试件首先在梁柱节点处开裂,并在裂纹扩展过程中发生明显的曲裂运动,证明梁柱节点处最容易受到破坏。预制裂纹条数越多,梁柱节点处开裂越晚,说明裂纹条数少,能量可以在裂纹尖端积聚得更集中、更快。含柱端预制裂纹的试件,2条裂纹的开裂相隔时间要长于含梁上预制裂纹的试件;同时,试件的第2条裂纹优先在梁上裂纹处开裂,说明固端支座比简支梁断裂需要更多的能量。随着预制裂纹的增多,梁上裂纹在扩展过程中的曲裂现象减弱, 由于部分能量在柱端裂纹处积聚,用于推动梁上裂纹扩展的能量相应地减少。并且由于柱端裂纹的存在,梁上裂纹受到的拉应力分量减小,导致裂纹尖端受到弯矩变小,影响了裂纹的曲裂运动。     

含微裂纹和椭球颗粒介质的强度及本构关系

针对含随机分布微裂纹及椭球颗粒的复合材料，通过考虑椭球颗粒内的本征应变及其与微裂纹的相互作用，利用等效夹杂方法研究了微裂纹损伤对材料有效模量和强度的影响，推导了复合材料的细观应力场及本构关系，并导出了材料破坏的临界条件．