不同加载速率下玄武岩三点弯断裂性能及破坏形貌的试验研究

对不同加载速率下的玄武岩展开了三点弯断裂试验研究,探讨了荷载-位移曲线变化规律及裂纹扩展机理,分析了试样断裂面粗糙度系数随加载速率及开裂荷载的变化关系。结果发现:当加载速率在0.005～5mm/s范围内增加时,试样的断裂峰值荷载有增大趋势,而最大位移有不同程度减小,荷载-位移曲线的弹性阶段明显突出,上凹阶段与裂纹失稳扩展阶段有所隐退。裂缝扩展高度一定时,开裂荷载随加载速率的增加而增大,且断裂面粗糙度系数与加载速率呈显著的对数函数递减趋势;而加载速率一定时,开裂荷载随裂缝扩展高度的增加而增大。试样不同高度处的开裂荷载与断裂面粗糙度系数呈明显的幂函数递减关系。     

冲击载荷下镁铝合金裂纹动态扩展过程的数值模拟

采用基于黏聚裂纹模型的扩展有限元方法,开展了镁铝合金结构冲击破坏过程的数值模拟研究。通过镁铝合金三点弯曲试样冲击实验,获得了不同子弹撞击速度下试样的冲击破坏模式。在此基础上,建立了实验结构的扩展有限元模型,并采用最大主应力准则,以及含损伤型的本构关系模拟材料的冲击断裂行为。对于裂纹尖端附近区域,采用黏聚裂纹模型模拟裂纹的断裂过程。对子弹速度分别为12.2、15.1、26.3 m/s的3种工况下镁铝合金试样的动态破坏过程进行了数值模拟研究,获得了与实验相一致的断裂模式。计算结果表明,试样以Ⅰ型断裂模式为主,裂纹沿初始预制裂纹方向扩展。当裂纹扩展到一定程度后,在试样韧带区域被撞击端附近,由于应力波及边界效应导致该区域处于复杂应力状态,试样出现复合型断裂模式,裂纹偏离原扩展路径,与本文实验结果相吻合。     

加载角度对层理页岩裂纹扩展影响的实验研究

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）系统对页岩进行冲击实验,研究层理角度对页岩动态断裂过程的影响,在裂尖设置裂纹扩展计,借助高速摄影和数字图像相关（DIC）技术对页岩中心切槽半圆盘弯曲（NSCB）试件断裂的全过程进行研究,得到了不同加载角度下页岩的动态起裂韧度、裂纹扩展速度、断裂过程中应变场和水平位移场的变化规律。实验发现:不同加载角度下,页岩的动态起裂韧度具有显著的各向异性,加载角度与动态起裂韧度呈正相关;加载角度对试样的裂纹扩展速度具有显著影响,与裂纹扩展速度呈负相关;当冲击速度较低时,切槽方向是裂纹扩展的优势方向,而当冲击速度较高时,试样会产生沿层理弱面的次生裂纹,次生裂纹对试样的断裂具有显著影响。     

不同加载速率下砂岩弯曲破坏的细观机理

岩石细观破裂形貌是岩石破坏机制的重要反映，为研究不同加载速率对砂岩弯曲破坏的影响，通过三点弯曲实验和扫描电镜方法，对某煤矿关键层砂岩弯曲破断裂纹细观形态以及裂纹的自相似性进行了研究。选取6个不同加载速率对岩样进行三点弯曲实验，观察其宏观断裂情况，并利用扫描电镜对弯曲断裂面表面裂纹细观结构进行观察，并拍摄不同倍数下的扫描电镜图片。对图片进行图像处理后得到砂岩弯曲断裂破坏细观裂纹信息，并计算得到微裂纹的分形盒维数值。结果显示:随着加载速率的提高，砂岩穿晶断裂的比例也随之升高，裂纹分形维数亦随着加载速率的增大而增加，同时，分形维数还与弯曲断裂破坏荷载和抗弯强度成正比。可见，加载速率对断裂方式有一定的影响，且加载速率越大断裂所需的破坏能越大，裂纹分布越广，表明开采速度与岩爆等岩体动力灾变有密切关系。     

预置圆孔膨胀环动态断裂行为研究

利用中心线起爆膨胀环加载技术,采用分幅摄影技术观测了20号钢圆环在准一维拉伸作用下,预置圆孔缺陷临近区域的动态断裂特征。获得了高应变率下圆孔的变形、裂纹的萌生及扩展过程。并采用LS-DYNA3D有限元程序分步建模,将驱动器对膨胀环的冲击压力简化为直接作用于圆环内壁的压力历史,以此模拟了整个断裂过程。通过实验图像,得到裂纹尖端的位移以及速度随时间变化的曲线。结果表明,宏观可见裂纹出现于应力集中最大处,裂纹扩展速度随时间振荡,数值模拟与实验结果吻合较好。     

局部高密度钢纤维混凝土疲劳裂纹扩展实验研究

在混凝土弯曲构件底部用高密度钢纤维局部增强称为局部高密度钢纤维混凝土（PHPFRC）,与同样纤维掺量的传统钢纤维混凝土（SFRC）比较,它可以用近似的价格获得高得多的力学性能,本文对PHPFRC缺口试件在循环载下的裂纹扩展规律进行了研究,发现裂纹并非是由一条主裂纹循序渐进地发展,而是随着循环次数的增加,呈多条短裂纹陆续出现,弥散式发展的趋势,说明在高密度纤维的增强下,混凝土的疲劳断裂由脆性向专心性转变,根据实验及分析结果得出了两种纤维掺量下PHPFRC度件的Paris参数,并且用一个分维值D的变化描述了裂纹的演经过程,发现裂纹失稳扩展前的临界分维值D随着纤维掺量的增加而增加。     

高应变率下断裂韧性实验的数值模拟

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA程序对静态和冲击荷载作用下的含裂纹半圆弯曲(SCB)实验进行了数值模拟。根据静态实验的模拟结果,提出了适合复合型加载的Ⅰ型应力强度因子拟合公式,采用该公式计算应力强度因子的最大误差不超过10%。动态实验的模拟结果表明:对于纯Ⅰ型加载的SCB实验,动态应力强度因子随着试样半径、支座间距以及相对裂纹长度的变化呈现规律性变化;当试样半径小于60mm、相对支座间距为1.2、相对裂纹长度在0.1~0.4范围内时,惯性效应的影响较小,采用静态拟合公式计算裂尖的动态应力强度因子的误差约10%;对于复合型加载的SCB实验,当相对裂纹长度为0.2~0.4、裂纹倾角在10°~40°范围内时,采用静态拟合公式计算裂尖的动态应力强度因子的误差小于10%。     

动载荷作用下裂隙岩体的止裂机理分析

为深层次了解裂隙岩体在动载荷作用下的动态断裂特性及止裂机理,采用TWSRC（tunnel with single radial crack）构型进行中低速冲击实验,选择砂岩作为原材料制作裂隙岩体试样,以落锤冲击试验装置与裂纹扩展计实验系统对裂纹的动态起裂、扩展及止裂过程进行全过程监测,重点研究动态破裂过程的破裂行为及止裂现象。使用有限差分法程序进行数值模拟,验证冲击实验结果的科学性与准确性。研究发现:裂隙岩体的动态断裂过程是由起裂加速-高速扩展-缓慢减速-止裂-再次起裂加速-再次高速扩展等多次循环的过程构成,且止裂区间尺寸为微秒量级;裂隙岩体止裂位置的穿晶断裂比例远小于初始起裂点,青砂岩动态断裂过程的穿晶断裂比例稍大于黑砂岩;裂隙岩体中止裂点再次起裂所需的能量,远小于预制裂纹初始起裂所需要的能量。     

基于SHPB实验的砂岩动态破坏过程及应变-损伤演化规律研究

为研究砂岩型铀矿爆破增渗地浸开采过程中赋矿岩层的破坏特征及损伤演化规律, 利用带有应变控制环的SHPB实验系统,对砂岩试样进行控制应变条件下的动态冲击实验,并结合波速测试实验和CT扫描实验,分析研究了砂岩试样的整体破坏过程、裂纹分布及应变-损伤演化规律。实验结果表明:在冲击荷载作用下,当应变值超过0.008 3时,砂岩试样会突然出现明显的整体破坏,整体破坏形式近似双锥形,其破坏模式为剪切-张拉混合破坏;随着应变的增加,裂纹的产生及扩展大致分为无裂纹阶段（0～0.003 3）、微裂纹起裂阶段（0.003 3～0.008 3）、裂纹贯通阶段（0.008 3～0.009 9）3个阶段,且裂纹分布区域主要集中在试样中间外围。分别从宏观、细观两方面建立了应变-损伤之间的定量关系式,损伤变量随应变的增长趋势大致分为两个阶段:平缓发展区（0～0.008 3）和迅速增长区（0.008 3～0.011 5）,损伤变量随应变增加并非简单的线性增加,而是应变值超过应变损伤阈值之后损伤程度急剧增加,应变损伤阈值为0.008 3。     

冲击加载下巷道内裂纹的扩展特性及破坏行为

为了开展含预制裂纹的巷道模型试样在冲击载荷下的动态断裂响应实验,选用青砂岩作为模型材料制作巷道模型试样,以可调速落锤冲击实验机作为冲击加载装置进行试样的动态断裂实验,分析冲击载荷作用下的巷道内裂纹的扩展规律。采用裂纹扩展计及应变片测试系统监测裂纹的起裂时间、扩展速度及止裂时间,并借助于AUTODYN、ABAQUS有限元数值分析软件对实验模型进行数值模拟,计算裂纹的动态起裂韧度、动态扩展韧度、动态止裂韧度等断裂参数。结果表明:巷道内裂纹在扩展路径过程中存在着明显的止裂现象;采用实验-数值方法能够较好地得出裂纹的起裂韧度、扩展韧度和止裂韧度等参数。另外,对止裂现象进行了初步的分析,讨论了试样内应力反射波与透射波对止裂问题的影响。     

A Study on the Evaluation of the Fracture Process Zone in CCNBD Rock Samples

The safety of many civil and mining concrete and rock structures including pre-existing crack networks is fundamentally affected by the mechanical behaviour of the material under static and cyclic loading. In cyclic loading case, cracks can grow at a lower load level compared to the monotonic case. This phenomenon is called fatigue due to subcritical crack propagation and depends on the behaviour of the fracture process zone (FPZ). This study presents the results of laboratory diametrical compression tests performed on Brisbane tuff disc specimens to investigate their mode-I (tensile) fracture toughness response to static and cyclic loading and relevant FPZ. The FPZ and fracture toughness response to cyclic loading was found to be different from that under static loading in terms of the ultimate load and the damage mechanisms in front of the chevron crack. A maximum reduction of the static fracture toughness (K _IC ) of 42 % was obtained for the highest amplitude increasing cyclic loading test. Detailed scanning electron microscope (SEM) examinations were performed on the surfaces of the tips of the chevron notch cracks, revealing that both loading methods cause FPZ development in the CCNBD specimens. When compared with monotonic FPZ development, the main difference with the cyclically loaded specimens was that intergranular cracks were formed due to particle breakage under cyclic loading, while smooth and bright cracks along cleavage planes were formed under static loading. Further, the SEM images showed that fatigue damage in Brisbane tuff is strongly influenced by the failure of the matrix because of both intergranular and transgranular subcritical fracturing.     

Al2O3陶瓷动静态压缩下碎片形貌与破坏机理分析

为探究Al₂O₃陶瓷的宏观力学响应与破坏机理，分别利用材料试验机和分离式霍普金森压杆对其进行准静态和动态压缩实验，同时通过原位光学成像观测试样的破坏过程，并利用同步辐射CT和扫描电镜（SEM）对回收碎片的尺寸和形状以及微观破坏模式进行表征分析。宏观强度数据表明，Al₂O₃陶瓷的抗压强度符合Weibull分布，且与加载应变率呈现指数增长关系。原位光学成像和SEM回收分析共同揭示了动静态加载下裂纹成核与扩展模式存在明显差异。准静态加载时材料微观上更易发生沿晶断裂，宏观表现为劈裂裂纹较少，且倾向于沿加载方向传播并贯穿整个试样；而动态加载时穿晶断裂占主导地位，劈裂裂纹明显增加并发生相互作用，因此在传播过程中容易分叉而形成大量次生裂纹，提高了试样内裂纹密度。这与碎片的CT表征结果一致，即碎片平均球形度和伸长、扁平指数等均随应变率对数线性增加。破坏模式的改变最终导致高应变率下陶瓷材料应变率敏感性显著增强。     

混凝土冲击破坏动态力学及能量特性分析

动强度和能量耗散规律是研究混凝土动力特性的主要内容。为探究混凝土在冲击荷载作用下的动态力学、变形以及能量演化特征,利用直径为100 mm的霍普金森杆装置对骨料率为0、32%、37%和42%的混凝土试样,分别进行了冲击速度为5、6、7 m/s的冲击压缩试验。探讨了冲击速度和骨料率对试样变形、动强度以及分形维数的影响,建立了动强度关于冲击速度和骨料率的表达式,并对试样吸收能和裂纹表面能之间的关系进行了对比分析。结果表明:混凝土试样破坏时出现了变形滞后现象,破坏形式主要以劈裂拉伸破坏为主;动强度随冲击速度、骨料率的增大而增大,用所建动强度公式可以较好地预估混凝土动强度;混凝土破坏碎块分形维数、吸收能和裂纹表面能均随冲击速度的增大而增大,随骨料率的增大而减小,且吸收能始终高于裂纹表面能,当骨料率为37%时,吸收能转化率最高,约91%转化为裂纹表面能。     

45钢的J-C损伤失效参量研究

为了在结构碰撞效应的有限元分析中描述材料行为,通过开展45钢在不同应力状态和温度下的准静态材料力学性能实验及拉伸SHB实验,考察了应力状态三轴度、温度和应变率对材料失效应变的影响。由实验数据得到了Johnson-Cook失效模型参量,并通过出现失效的Taylor撞击实验和数值模拟进行了一定的验证,表明模型描述与实验结果的趋势一致。     

损伤演化对韧性金属碎裂过程的影响

固体在冲击拉伸载荷作用下会断裂成多个碎片，基于线性内聚力断裂假设的Mott-Grady模型能较好地预测碎裂过程所产生的平均碎片尺度的下限。然而实际上，韧性金属的损伤演化是多元化的，为此通过数值模拟方法研究了不同损伤演化规律对韧性碎裂过程的影响。利用ABAQUS/Explicit动态有限元软件数值再现了韧性金属杆（45钢）在高应变率下拉伸碎裂的过程，分析了线性和非线性损伤演化对韧性碎裂过程的影响规律。结果表明:损伤演化规律对韧性金属的碎裂过程具有显著影响，非线性指标α越大，碎裂过程产生的碎片数越少；Grady-Kipp碎裂公式仍能在一定范围内预测韧性碎裂过程中产生的碎片尺寸；当非线性指标α远大于零时，在较低冲击拉伸载荷作用下，数值模拟结果和Grady-Kipp模型预测值偏差较大，随着应变率增大，数值模拟结果与Grady-Kipp模型预测值吻合较好。     

外部爆轰加载过程中金属圆管断裂实验研究

利用脉冲X光照相技术和高速摄影对HR 2抗氢钢圆管在外部爆轰加载下的压缩过程进行了动态诊断。X光照相观察到抗氢钢圆管在压缩过程中管壁内出现了宏观裂纹 ,回收破片具有显著的剪切断裂特征 ,金相分析观察到了绝热剪切带及微孔洞与微裂纹。对半圆管结构的压缩过程进行了高速摄影 ,直接观测到抗氢钢圆管内壁裂纹萌生与发展的动态过程。由两种动态诊断实验结果对比分析推断 ,抗氢钢圆管在外部爆轰加载压缩过程中 ,裂纹首先在圆管内壁生成。     

破片撞击下YAG透明陶瓷复合靶的破坏特性

YAG透明陶瓷兼具有优秀的透光性能和抗冲击破坏性能,是武器装备透明部分的优秀防护材料,在军事装备、航天等国防领域具有良好的应用前景。冲击载荷下材料的加载响应特性对掌握材料破坏机制至关重要,能为透明复合靶设计提供依据。为获得YAG透明陶瓷多层复合靶的冲击破坏特性,利用内径9 mm的气体驱动发射平台进行了碳化钨球形破片在20～310 m/s速度下撞击YAG透明陶瓷复合靶的实验,通过高速摄影捕捉的陶瓷表面损伤演化过程,计算了典型径向、环向裂纹扩展速度。通过观测回收的靶体和YAG碎片的宏细观破坏特征,分析了撞击速度与靶体破坏特征之间的联系。结果表明,YAG陶瓷层径向裂纹和环向裂纹扩展速度均随着时间的延长线性降低,且裂纹扩展速度几乎不受撞击速度影响。陶瓷层中心粉碎区面积随撞击速度的提高而增大,且中间玻璃层破坏区域面积与陶瓷锥底面积相关联,陶瓷锥角与撞击速度关联性不强。同时,观察到陶瓷层在冲击破坏过程中出现了裂纹簇,获得了裂纹簇数量与破片撞击速度之间的关系,分析了裂纹簇的特征及其成因。裂纹变向、应力波作用会显著影响细观断面破坏特征。径向、环向和锥裂纹中沿晶断裂的比例均随着裂纹扩展距离的增大而增加,且穿晶比例随着撞击速度的提高而增加。     

Modeling of Solute Transport in a 3D Rough-Walled Fracture–Matrix System

Fluid flow and solute transport in a 3D rough-walled fracture–matrix system were simulated by directly solving the Navier–Stokes equations for fracture flow and solving the transport equation for the whole domain of fracture and matrix with considering matrix diffusion. The rough-walled fracture–matrix model was built from laser-scanned surface tomography of a real rock sample, by considering realistic features of surfaces roughness and asperity contacts. The numerical modeling results were compared with both analytical solutions based on simplified fracture surface geometry and numerical results by particle tracking based on the Reynolds equation. The aim is to investigate impacts of surface roughness on solute transport in natural fracture–matrix systems and to quantify the uncertainties in application of simplified models. The results show that fracture surface roughness significantly increases heterogeneity of velocity field in the rough-walled fractures, which consequently cause complex transport behavior, especially the dispersive distributions of solute concentration in the fracture and complex concentration profiles in the matrix. Such complex transport behaviors caused by surface roughness are important sources of uncertainty that needs to be considered for modeling of solute transport processes in fractured rocks. The presented direct numerical simulations of fluid flow and solute transport serve as efficient numerical experiments that provide reliable results for the analysis of effective transmissivity as well as effective dispersion coefficient in rough-walled fracture–matrix systems. Such analysis is helpful in model verifications, uncertainty quantifications and design of laboratorial experiments.     

Fracturing damage process in dynamic split experiments of a brittle glass

In this study, the 3-dimensional discrete element method is firstly introduced to explain the fracturing damage process of the dynamic split experiment of a special brittle glass ZnS. The corresponding dynamic split experiment is also performed by using the split Hopkinson pressure bar. Then the numerical results correspond closely to those obtained by experiments, and the fracturing damage mode shows that the sample under high strain rate loading would crack along vertical diameter in the band region between two loading edges, which differs from the static damage mode. Furthermore, by comparing a group of contrast numerical tests, the numerical results prove that loading area upon the top side of samples would influence the fracture mode of dynamic split experiments, which indicates that the narrow loading plane is better.