一种弹塑性材料动态起裂韧度的J表征和测试方法

在数值计算的基础上提出了一个弹塑性材料动态起裂韧度的J表征和测试方法.这一方法利用自行研制的间接杆-杆型冲击拉伸试验装置,对周边切口的短圆柱试件实施基于一维试验原理的弹塑性材料动态断裂试验;利用试件两端的平均载荷-相对位移曲线(-δ)或平均载荷-裂纹张开位移曲线(-Δ),推广Rice远场公式获得动态J积分;采用柔度变化率法确定裂纹起裂点,从而得到动态起裂韧度JID.这一方法的优点在于利用-δ或-Δ曲线将外力对试件所做的与裂纹运动无关的质心惯性运动动能近似地从总能量中分离出来,且平均载荷在起裂前以至失稳扩展前是单调增的,同时试验获得的-δ和-Δ曲线光滑,这使得用J积分作为裂纹尖端的表征参量以及用柔度变化率法确定起裂点和失稳点具有坚实的物理基础.     

微机在测试断裂韧度K_C中的应用

本文介绍了由自行设计的ME-A数据采集器系统和PC-1500计算机组成的数据采集处理系统在平面应力断裂韧度K_c测试中的应用.配合自行设计的板条试样夹具,在老式万能试验机上测试K_c取得良好效果,为改进旧设备、开发计算机的应用和K_c微机数据处理工作提供一些经验.     

冲击荷载下岩石动态断裂韧度测定的实验技术

本文介绍了一种研究岩石动态断裂特性的实验技术。该方法采用自行设计的杆式冲击试验机,在加载率K1106Nmm-3/2s-1条件下对三点弯曲试件进行冲击加载。实验中,通过一套光电转换装置测量试件切口张开位移随时间的变化。由双通道的瞬态波形存贮器记录荷载和切口张开位移,得到了冲击条件下的荷载-切口张开位移曲线,通过张开位移速率的转折点来确定起裂点并计算动态断裂韧性K1d。本中给出了长宽高为1804040mm的大理岩试件的典型荷载-切口张开位移曲线和示波照片。试验结果可由微型机直接进行处理。     

一种岩石断裂韧度试样应力强度因子的三维边界元法标定

用三维边界元法(BEM)标定了一种岩石断裂韧度试样的柔度,求出了这种试样的平均无量纲应力强度因子(SIF),并得到了对应于最大载荷时的临界裂纹长度和平均无量纲SIF的最小值.     

混凝土平面应变断裂韧度测试初探

本文对混凝土三点弯曲试验资料分析研究,通过详细数据计算得到混凝土平面应变断裂韧度(仅制备预制裂纹)的初步数值.并对混凝土平面应变断裂韧度的测试结果做了深入讨论.     

平面应变断裂韧度测试的有效性研究

针对平面应变断裂韧度测试厚度存在的问题,研究了几种材料测断裂韧度所需的实际厚度,拟合了平面应力到平面应变过渡状态下σz应力的分布,分析了过渡状态下的裂端应力场.通过分析不同材料特性和应力状态对断裂韧度KIC的影响,结合金属材料断裂的细观机理,认为平面应变断裂韧度KIC反映的是材料正断的性能,仅代表材料发生正断的指标.结果表明:对于某些高韧性材料,即使满足平面应变条件厚度要求,断裂以剪断为主,很难测出KIC;而对于偏脆性材料,即使不满足厚度要求,只要发生正断,也可测出KIC.结合已有试验结果,为平面应变断裂韧度KIC测定的厚度选择,提出一种合理的预测方法.借助三片模型的研究,给出平面应变断裂韧度的正断指标.     

岩石动态断裂韧度的尺寸效应

采用两种圆孔裂缝平台巴西圆盘试件(一种为直径分别为42、80、122、155 mm的几何相似试件,另一种为直径80 mm、仅裂缝长度不同的单一尺寸试件)对岩石动态断裂韧度的尺寸效应进行了研究。给出了在霍普金森压杆系统上对试件进行径向撞击产生的应变波形和断裂模式。实验结果表明,对于几何相似试件,动态断裂韧度的测试值随着尺寸的增大而增大,而对于单一尺寸试件,其测试值随着中心裂缝长度的增加呈现先增大后减小的趋势。裂缝前端的断裂过程区长度和孕育时间是岩石动态断裂韧度测试值表现为尺寸效应的主要原因,为了减小尺寸效应,建立了考虑这两个参数在空间-时间域对动态应力强度因子的分布进行积分后再平均来确定岩石动态断裂韧度的方法。     

二种岩石断裂韧度试样测试的稳定性分析

本文分析了 ISRM 采纳的两种具有人字形切槽的试样在测试过程中裂纹扩展的稳定性问题,计算了它们在不同加载条件和试验机刚度时各自的稳定性因子;指出对岩石等一类脆性材料,加载方式和试验机刚度对测试的稳定性有很大的影响;说明了这两种试样在稳定性方面的差异,并指出它们在稳定性上明显地优于普通直裂纹试样.     

用短棒试件测试无烟煤的动态断裂韧度

介绍了设计的新型圆台式压头及配套的衬片加载部件,推导了采用新的加载部件进行冲击断裂实验时的断裂韧度计算公式。采用SHPB实验装置,用新加载部件对带有V形切口的无烟煤短棒试件的裂纹尖端施加拉伸载荷,测定了无烟煤的动态断裂韧度。结合准静态实验数据得到了无烟煤断裂韧度随加载率lg(dF/dt)的总体变化规律:当lg(dF/dt)6时,无烟煤的断裂韧度缓慢上升,但当lg(dF/dt)6以后,无烟煤的断裂韧度随加载率的增加快速增大。实验表明:圆台式加载比刀刃式加载更具优越性和适应性,是测试岩石类材料短棒试件动态断裂韧度较好的方法。     

动态断裂理论和实验研究进展

本文介绍和评述了动态断裂力学在理论和实验研究方面的现有进展,特别是近年来对材料非线性和动态效应对裂纹扩展及其稳定性的影响的研究以及实验测试技术的现状和问题的研究,并对今后的研究方向提出了作者的看法.     

基于微米力学实验的页岩I型断裂韧度表征

页岩断裂韧度($K_{IC})$是页岩气储层水力压裂设计的基础参数之一,由于组成的非均质性,常规宏观力学测量方法存在制样困难、力学解释参数不连续、精度偏低等问题. 如何及时获取页岩的断裂特性,确保安全高效的工程施工,是当前面临的一大问题. 因此,提出了基于微米力学实验的页岩Ⅰ型断裂韧度分析方法,可用于页岩微裂纹起裂、发育直至形成宏观裂纹的机理研究,进行页岩宏观Ⅰ型断裂韧度预测. 基于页岩多尺度组成分析,开展了维氏压头和玻氏压头的页岩微米力学实验,分析了页岩残余压痕与压头间的相似关系、有效测试载荷以及压头参数的优化与选择. 分析了不同压入载荷下的页岩细观断裂韧度分布特征,开展了宏观巴西圆盘实验,验证页岩微米力学测试方法的适用性. 研究结果表明,在有效载荷范围内的页岩细观Ⅰ型断裂韧度波动性较小,当压入载荷过大时,由于岩样压痕区域出现局部剥落导致断裂韧度测量值偏小. 与宏观实验的比对分析显示,微米力学实验的$K_{IC}$平均值为0.86 MPa$\cdot \sqrt{m}$,直槽切缝巴西圆盘实验得到的$K_{IC}$平均值为0.92 MPa$\cdot \sqrt{m}$,两类方法的统计平均值较为接近,页岩局部组成的非均质性使得微米力学测量结果较宏观测试更为分散. 研究结果可用于页岩宏观Ⅰ型断裂韧度预测,为有效解决页岩气储层水力压裂参数评价提供新的思路和方法.      

变质砂板岩Ⅰ型断裂韧度各向异性初探

Ⅰ型断裂韧度是岩石的主要特征力学参数,且影响因素很多。目前,国内可查的细观层理对岩石Ⅰ型断裂韧度影响的相关研究较少。试验利用隧道开挖中的变质砂板岩,测试了横向、纵向和无细观层理砂板岩纵波波速,并采用三点弯曲圆梁方法研究了相应砂板岩试件的Ⅰ型断裂力学性质。试验表明KIC、断裂破坏挠度、细观层理和纵波波速间存在相关关系,根据试验成果提出各向异性系数Y的概念,利用各向异性系数Y计算的K’IC值与实测的相应试件KIC符合较好。     

白桦材断裂韧度的各向异性性质

木材可视为正交各向异性材料，表征木材抵抗裂纹扩展能力的断裂韧度硒。是木材的基本力学性质之一，它具有明显的各向异性．对白桦材试样断裂韧度硒。测试结果表明，LT试样的断裂韧度明显高于TL，TR试样的断裂韧度，TL和TR试样的断裂韧度相接近．无论哪种试样类型，起裂均发生在裂纹尖端．TL，TR试样裂纹扩展方向与原裂纹初始方向一致，LT试样与前两不同，裂纹沿着几乎平行于纤维的方向扩展．并且含水率对各个方向木材断裂韧度的影响趋势是一致的．     

一种基于SHTB的Ⅱ型动态断裂实验技术

冲击剪切载荷作用下动态断裂韧性的测定是材料力学性能和断裂行为研究中重要组成部分.为了测定材料的Ⅱ型动态断裂韧性,许多学者采用不同的试样与实验方法进行了实验,但限于实验条件,裂纹断裂模式往往是I+Ⅱ复合型,而不是纯Ⅱ型,因而不能准确测得材料的Ⅱ型动态断裂韧性.鉴于此,本文基于分离式霍普金森拉杆(split Hopkinson tension bar,SHTB)实验技术,提出一种改进的紧凑拉伸剪切(modified compact tension shear,MCTS)试样,通过夹具对MCTS试样施加约束,从而保证试样按照纯Ⅱ型模式断裂.采用实验-数值方法对MCTS试样动态加载过程进行分析,将实验测得的波形输入有限元软件ANSYS-LSDYNA,得到了裂纹尖端应力强度因子-时间曲线,并与紧凑拉伸剪切(compact tension shear,CTS)试样进行了对比.同时采用数字图像相关法进行了实验,验证了有限元分析结果.结果表明,MCTS试样在整个加载过程中K_I K_Ⅱ,裂纹没有张开;而CTS试样在同样的加载过程中K_IK_Ⅱ,出现裂纹张开现象.这说明MCTS试样能够准确地测定材料的Ⅱ型动态断裂韧性,为材料动态力学测试提供了一种有效的实验技术.     

切口曲率半径对岩石断裂韧度KIC值的影响

本文对岩石三点弯曲试样的切口曲率半径与其断裂韧度 K_(Ic)值间的关系进行了详细的实验研究及理论分析.对岩石 K_(Ic)测试中切口的选择提出了建议方法.     

木材顺纹断裂韧度的研究进展

木材的缺陷会使其在低应力状态下发生顺纹断裂,本文总结了木材抵抗顺纹断裂的重要力学参数——顺纹断裂韧度的研究进展.介绍了木材顺纹断裂韧度的测试方法,并分析了不同试验方法与数据处理方法的优缺点.重点阐述了影响木材顺纹断裂韧度的主要因素,如木材的种类、密度、含水率、木质纤维桥接作用以及试件跨高比等的影响.此外,也总结了木材顺纹断裂韧度尺寸效应的研究成果.并结合工程木被广泛应用的现状,介绍了木材胶结面断裂韧度的研究进展.     

岩石断裂韧度试样CCNBD临界应力强度因子的全新数值标定

国际岩石力学学会（ISRM）提出的用人字型切槽巴西圆盘（Cracked Chevron Notched Brazilian Disc—CCNBD）测试岩石I型断裂韧度所必需的量纲为一的临界应力强度因子Y＊min的精度需要进一步改进。本文对CCNBD试样的Y＊min进行了系统的重新标定,CCNBD的几何参数有效范围为0.44≤αB≤1.04、0≤α0≤0.69、0.4≤α1≤0.8。采用有限单元法对CCNBD做三维数值分析,得到了435种CCNBD试样的Y＊min值标定结果;在此基础上全面修正了CCNBD试样Y＊min计算公式中u和v的取值表;给出了不用查表直接确定CCNBD试样Y＊min值的近似表达式,该表达式计算结果与标定结果的相对误差绝对值在1.87%以内。对于ISRM建议的CCNBD标准试样的Y＊min值：ISRM标定值0.84比本文结果0.957小12.2%;分片合成法标定值0.947比本文结果小1.0%;子模型法标定值0.943比本文结果小1.5%。本文特别强调了任何CCNBD试样Y＊min的取值必须在它对应的上限和下限所限定的范围内,这一要求对判断Y＊min标定值是否合理是很重要的。     

原状冻土Ⅱ型非线性断裂韧度实验测试研究

由于原状冻土处于自然状态下,其本构关系及水分、温度的分布符合实际状态,而且其实际破坏形式往往是非线性的剪切破坏,所以论文采用了非线性冻土断裂实验模型,对自然状态下的原状冻土进行了断裂破坏实验,着重对Ⅱ型断裂(剪切)破坏的四点弯曲直裂纹试样进行了实验研究.实验过程中改造了四点弯曲实验台,采用着色法测量预制裂纹尺寸.实验原理采用基于能量平衡的方法,利用数据采集系统分别测出了原状冻土四点弯曲试样加力点处位移与力的关系曲线以及相应的非线性参数,推导出裂纹扩展非线性能量释放率计算公式,当试样达到承载极限状况时测试出Ⅱ型断裂试样非线性断裂韧度.同时,提出了修正因子计算非线性断裂韧度的方法,将能量方法测试结果与修正因子方法结果进行了对比,二者基本是一致的.以上提出的冻土Ⅱ型断裂非线性断裂韧度测试方法,及获得的非线性断裂韧度测试结果,为非线性理论研究和工程应用提供了依据.     

Ⅱ型断裂韧度测试功能开发与试验分析

断裂韧度作为岩石的重要力学指标,对认识压剪破坏规律具有重要意义。为解决现有设备缺乏围压冲剪试验(PTS/CP)测试功能的问题,本文基于Ⅱ型断裂韧度测试方法进行试验装置开发,在现有设备上实现了PTS/CP测试功能,并通过青砂岩的PTS/CP试验验证了开发装置的可靠性。青砂岩PTS/CP试验结果表明,在围压侧向约束条件下岩石试样可获得较理想的冲剪破坏面,且随着围压的增大,Ⅱ型断裂韧度K_ⅡC先增大后趋于稳定;通过PTS/CP试验所获得的青砂岩K_ⅡC与其单轴抗拉强度、I型断裂韧度指标之间的关系符合常规认识,说明了PTS/CP测试功能的合理性和装置的可操作性。PTS/CP测试功能的开发可为岩石及类似工程材料的相关教学和科研工作提供试验支撑。