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沖擊載荷作用下材料I型動(dòng)態(tài)斷裂行為研究

2016-08-20 10:22:59 安裝信息網(wǎng)

李清，郭洋

（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：利用焦散線實(shí)驗(yàn)對(duì)含預(yù)制裂紋半圓盤試件在落錘沖擊載荷作用下的斷裂行為進(jìn)行了研究，采用實(shí)驗(yàn)-解析法測(cè)定了試件受到的落錘沖擊載荷的變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在裂紋起裂前，作用于試件上的沖擊力總體表現(xiàn)為不斷增大的趨勢(shì)；當(dāng)試件受到的沖擊力達(dá)到最大值4. 8kN之后，裂紋起裂并迅速擴(kuò)展；裂紋起裂后，沖擊力開始不斷下降。在沖擊載荷作用下，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子在起裂后會(huì)出現(xiàn)瞬間減弱的現(xiàn)象，這與裂紋尖端大量的微裂紋被“活化”有關(guān)系；但隨著裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子又再次上升。裂紋的擴(kuò)展速度在起裂后的擴(kuò)展過程中基本保持勻速擴(kuò)展，僅在距離邊界一定范圍內(nèi)才出現(xiàn)快速下降的現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：光測(cè)力學(xué)；沖擊載荷；三點(diǎn)彎曲梁；焦散線方法；斷裂行為；應(yīng)力強(qiáng)度因子

中圖分類號(hào)：TU443 文章編號(hào)：1004-4051(2016)06-0139-04

深部開采、隧道爆破掘進(jìn)以及建筑施工等均涉及材料的動(dòng)態(tài)斷裂破壞問題。長(zhǎng)期以來，對(duì)這一問題的研究主要在材料的斷裂機(jī)理、斷裂行為和破壞效應(yīng)等方面。胡柳青分別從宏觀、細(xì)觀、微觀三個(gè)層次對(duì)巖石在沖擊載荷下的斷裂特性進(jìn)行了探究，并推導(dǎo)了三種不同層次下巖石變形破壞的一般規(guī)律。

李清采用焦散線實(shí)驗(yàn)方法對(duì)巖石在爆炸載荷作用下的動(dòng)態(tài)斷裂行為進(jìn)行了研究，分析了定向斷裂爆破中動(dòng)態(tài)裂紋的擴(kuò)展規(guī)律。滿軻等采用霍普金森桿對(duì)玄武巖在不同加載率下的動(dòng)態(tài)斷裂韌度進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)巖石材料的動(dòng)態(tài)斷裂韌度與其抗拉強(qiáng)度存在正相關(guān)關(guān)系。潘一山等采用數(shù)字散斑觀測(cè)方法對(duì)爆炸沖擊載荷下巷道的變形破壞過程進(jìn)行了分析。郭昭亮對(duì)含缺陷的膨脹環(huán)在動(dòng)載條件下的斷裂特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)裂紋內(nèi)壁首先出現(xiàn)裂紋，并隨著載荷增加逐漸形成穿透裂紋。吳飛飛等對(duì)金屬玻璃材料進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，分析了其斷裂機(jī)理與其斷裂韌度之間的關(guān)系。夏開文等經(jīng)過多年的研究，提出了通用的巖石動(dòng)力測(cè)試方法，并編寫了巖石動(dòng)力測(cè)試的推薦方法，為巖石的動(dòng)態(tài)斷裂參數(shù)測(cè)試提供了參考。韓東波通過霍

普金森桿實(shí)驗(yàn)，結(jié)合LA-DYNA數(shù)值分析方法對(duì)巖石材料的動(dòng)態(tài)斷裂過程進(jìn)行了分析，認(rèn)為在巴西圓盤試驗(yàn)中，裂紋的斷裂是從加載兩端起裂，并向試件中間擴(kuò)展的過程。賈敬輝采用RFPA2D對(duì)巖石三點(diǎn)彎曲動(dòng)態(tài)破壞過程進(jìn)行了模擬，分析了材料的均質(zhì)度、預(yù)制裂紋的尺寸與形狀以及應(yīng)力波幅值等參數(shù)對(duì)材料斷裂的影響。尹相振從細(xì)觀角度對(duì)混凝土的破壞機(jī)制進(jìn)行了分析，提出適用于混凝土動(dòng)態(tài)受力分析的細(xì)觀剛體彈簧元方法，建立了用于模擬混凝土的粘彈塑性損傷本構(gòu)模型，并分析了混凝土的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度隨加載率變化的增長(zhǎng)規(guī)律。這些學(xué)者從不同角度對(duì)材料的動(dòng)態(tài)斷裂行為進(jìn)行了研究，然而，由于動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展和沖擊載荷的瞬時(shí)性，材料的斷裂破壞行為往往很難準(zhǔn)確測(cè)定，對(duì)于沖擊載荷的變化與試件斷裂參數(shù)之間的關(guān)系還很不清楚，需要進(jìn)一步研究。

本文利用焦散線實(shí)驗(yàn)方法，利用夏開文教授提出的含裂紋半圓盤彎曲( notch edsemi-circular bend，NSCB)試件，采用落錘沖擊加載方式對(duì)有機(jī)玻璃試件中I型動(dòng)態(tài)裂紋的斷裂行為進(jìn)行了研究。利用實(shí)驗(yàn)一解析法測(cè)定了作用于試件上的落錘沖擊力，分析了沖擊力變化與裂紋起裂之間的關(guān)系，探討了裂紋擴(kuò)展速度和裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理

1.1 動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子

1.2 實(shí)驗(yàn)-解析法測(cè)定落錘沖擊力

根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)提出的材料動(dòng)力測(cè)試推薦方法，在沖擊載荷作用下，帶裂紋的半圓盤試件所受到的沖擊力可表示為式(2)。

因此，通過式(6)計(jì)算得到?jīng)_擊動(dòng)載作用下任意t時(shí)刻時(shí)與動(dòng)態(tài)裂紋長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的靜止裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子值，再由式(2)得到相應(yīng)的t時(shí)刻時(shí)，落錘作用于試件上的沖擊力P。

2實(shí)驗(yàn)描述

2.1試件模型

實(shí)驗(yàn)所選用的材料為有機(jī)玻璃( Poly methylMeth acry late，PMMA)。由于其具有較高的光學(xué)常數(shù)ct，光學(xué)各向同性，且產(chǎn)生單焦散線，可以有效的保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，其動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)如表1所示。試件為半徑60mm厚度5mm的半圓盤，沿垂直于直徑方向在圓心處設(shè)置中心裂紋，長(zhǎng)度為10mm。圖2為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮嚰疽鈭D。本實(shí)驗(yàn)采用落錘沖擊方式，每種試件實(shí)驗(yàn)五組，為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性，嚴(yán)格保證每次實(shí)驗(yàn)落錘的質(zhì)量以及下落高度保持不變。落錘質(zhì)量為0. 82kg，下落高度為321mm，兩支座間距S為100mm。

2.2實(shí)驗(yàn)光路及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用新型數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，圖3表示實(shí)驗(yàn)光路示意圖。實(shí)驗(yàn)選用綠色激光作為光源，采用高速相機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行記錄，拍攝時(shí)間間隔設(shè)置為6. 67μs，其可以獲得大量的實(shí)驗(yàn)信息，更便于對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)多火花式焦散線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的不足。采用高速相機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行記錄，大大提高了記錄的長(zhǎng)度和拍攝的幅數(shù)。同時(shí)，將高速相機(jī)置于透鏡的主光軸上，降低了實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差。采用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)更方便了對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的進(jìn)一步處理以及信息的提取。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 動(dòng)態(tài)沖擊力及起裂時(shí)間

圖4為沖擊載荷作用下裂紋尖端焦散斑變化的系列圖片。由焦散線原理可知，作用于試件邊界上的集中力會(huì)在作用點(diǎn)上產(chǎn)生焦散斑。利用這一特性，本文將落錘與試件接觸點(diǎn)處開始產(chǎn)生焦散斑的時(shí)刻定義為0時(shí)刻。從圖4中可以看出，t=0 μs時(shí)，由于受到落錘沖擊力作用，在試件與落錘的接觸點(diǎn)處產(chǎn)生了一個(gè)很小’的焦散斑，此時(shí)落錘開始與試件接觸。隨后，裂紋尖端的焦散斑不斷增大。在t=193. 33μs時(shí)，預(yù)制裂紋起裂，裂紋向前擴(kuò)展。直至t=433. 3μs時(shí)，裂紋完全貫通，試件完全分開。在裂紋整個(gè)擴(kuò)展過程中，裂紋擴(kuò)展十分平直，為典型的I型斷裂。

圖5表示了落錘沖擊力和裂紋擴(kuò)展距離隨時(shí)間的變化曲線。由于本文是采用預(yù)制裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子來推算作用在試件上的落錘沖擊力，因此，只有當(dāng)預(yù)制裂紋尖端產(chǎn)生可測(cè)的焦散斑之后，才能確定落錘沖擊力。本文在46. 67μs后才計(jì)算出落錘沖擊力。在裂紋起裂前，落錘的沖擊力不斷上升，并達(dá)到最大值4. 8kN。預(yù)制裂紋隨即起裂并向前擴(kuò)展。此后，隨著裂紋迅速擴(kuò)展，作用于試件上的落錘沖擊力不斷下降。從圖中還可以看出，預(yù)制裂紋擴(kuò)展后，裂紋擴(kuò)展距離隨時(shí)間的變化曲線基本為一條直線，僅在裂紋擴(kuò)展至距離試件邊緣10mm左右時(shí)，才逐漸區(qū)域平緩。說明在整個(gè)裂紋擴(kuò)展過程中，裂紋基本處于勻速擴(kuò)展階段。

3.2應(yīng)力強(qiáng)度因子

3.3裂紋擴(kuò)展速度

圖7表示裂紋擴(kuò)展速度隨時(shí)間的變化曲線，從圖中可以看出，在t=193. 33μs時(shí)，裂紋起裂，擴(kuò)展速度迅速增大，在t=206. 67μs時(shí)，裂紋擴(kuò)展速度達(dá)到247. 06m／s。在t=206. 6,7μs到t= 353. 33m/s之間，裂紋擴(kuò)展速度不再迅速增大，而是表現(xiàn)為在250m／s附近上下波動(dòng)的特點(diǎn)，在此階段內(nèi)，裂紋的平均擴(kuò)展速度為251. 87 m/s。在t= 353. 33m／s以后，裂紋擴(kuò)展速度開始下降直至試件貫通。結(jié)合圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)，在試件未完全喪失承載力階段，裂紋的擴(kuò)展速度基本處于穩(wěn)定擴(kuò)展階段，這與圖4中觀察到的結(jié)果相一致。隨著落錘對(duì)試件的作用，試件完全喪失承載力，裂紋的擴(kuò)展速度也隨之下降，直至試件完全貫通。