CN106290012A - 一种冲击载荷下i型裂纹动态止裂韧度测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冲击载荷下I型裂纹动态止裂韧度测试方法，属于岩土工程技术领域，该方法利用大直径分离式霍普金森压杆及发明者设计的测试构型进行了冲击试验研究，采用实验‑数值方法确定试样的动态止裂韧度，通过试验得到的应变信号来计算试样承受的荷载及裂纹止裂的时刻，将得到的时程曲线输入有限元程序Ansys，利用1/4节点单元计算裂尖的近场位移，进而使用位移外推法求得试样I型动态断裂应力强度因子的时程曲线，裂纹止裂时刻对应的应力强度因子值即为材料的动态止裂韧度，从而给出了冲击荷载作用下纯I型裂纹动态止裂韧度的方法；本发明的方法简单，操作方便，对研究在冲击动载荷下岩石的动态止裂特性应更有现实应用意义。

Description

一种冲击载荷下I型裂纹动态止裂韧度测试方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种冲击载荷下I型裂纹动态止裂韧度测试方法。

背景技术

现代地下工程建设中，冲击凿岩、爆破、打桩等工程手段是一种广泛采用的手段，更是一个极端复杂的力学问题。

地下岩体已有的不同规模、大小的节理和裂隙，在动荷载作用下，这些缺陷将扩展、分叉和聚集，直至整个结构宏观破坏；其中裂纹或断层等缺陷尤为明显，裂纹本身的几何形态及与开挖工程的空间位置对应关系对裂纹的扩展、贯通过程有着显著影响。

对于金属材料的静态断裂韧性(KIC，JIC)的测试方法也已经比较成熟，常用的测试方法有压痕法(IM)，三点弯曲实验(SE)，紧凑拉伸实验(CT)，并且有了国家标准。对于岩石、混凝土等材料，许多学者进行了有益的尝试，也取得了很多有价值的成果。然而由于岩石材料天然的复杂性，学者对岩石动态断裂特征及断裂机理的研究还多处于初级研究阶段。因此，含裂纹岩体在冲击荷载作用下的全过程破坏特征及裂纹扩展规律是一项非常重要的基础性研究，同时也是目前岩石动力学研究的热点和难点之一。随着断裂力学的发展，人们逐渐认识到，在考虑材料的强度时需要考虑材料的动态断裂参数。由于动态问题需要考虑材料的惯性，求解断裂动力学问题极其困难，迄今尚无成熟的解决方法，目前得到的有意义的理论解不多。有许多学者使用数值方法进行分析，在快速发展的计算机技术的辅助下解决了许多困难问题，发展和建立了很多有效的断裂准则。

与此同时，实验工作也在积极开展，发展了一些新的实验方法，例如光学方法即焦散法等等。测定材料的动态断裂韧性是这些实验的一个重要目的。目前，应用最广泛的测试方法是Charpy冲击试验，使用的试验设备是摆锤和落重式试验机，美国的材料与试验协会(ASTM)和欧洲的结构完整性协会(ESIS)都提出了推荐标准。这种方法简单易行，花费少，适用于工程应用。为了克服Charpy冲击试验的缺点，人们又发展了Hopkinson压杆加载技术。该加载技术是一种广泛应用于高应变率下，材料动态本构关系及动态性能参数测定的装置。目前，应用三点弯曲测试材料动态断裂韧性的工作进行较多，资料也比较丰富，而利用紧凑拉伸试验进行测试的工作较少。

虽然利用霍普金斯压杆冲击实验来测试岩石的动态止裂韧度方法已取得了一些进展，但目前国内外针对冲击荷载作用下岩石动态止裂韧度的测量研究属于空缺状态，Crosley PB在1980年给出了止裂的一个定义，即当扩展应力强度因子下降到某一临界值即被定义为止裂韧度，对应的裂纹扩展速度为零；Dally JW认为，止裂韧度是一个重要的性能，在断裂力学分析中可以作为预测结构稳定性的一个重要参数。止裂韧度可以用来决定一个扩展的裂纹在进入应力强度因子降低区时是否会止裂，同时可以作为评估裂纹起裂韧度的更低下限。Dally JW使用美国材料实验学会ASTM提出的构型试件做了钢材的静态止裂韧度测试，但该方法忽略了动态效应的影响。在动荷载作用下裂纹动态性能的研究具有更加重要的工程意义，因此急需找出一种测试动态止裂韧度的新构型试件，来测试岩石动态起裂、扩展及止裂韧度。止裂韧度的研究在岩石动力学学科发展方面有重大意义，项目的研究成果将为便捷测试岩石止裂韧度奠定基础，可广泛应用于岩石动力开采及施工，对我国经济建设、安全生产和人民生活有着极其重要的影响。“十三五”国家科技创新规划“四深”研究中的“深地”研究已经立项，作为课题之一的“深部地应力环境与灾害动力学”研究是其中很重要的一项研究，岩石断裂动力学研究在更是占据重要地位。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种冲击载荷下I型裂纹动态止裂韧度测试方法，旨在解决目前国内外缺少的动态止裂温度测量问题，提出一种简单、有效的测试方法，实现全过程断裂韧度测量。

本发明实施例是这样实现的，一种冲击载荷下I型裂纹动态止裂韧度测试方法，该测试方法利用侧开单裂纹半孔板试样，通过大直径分离式霍普金森压杆设备实现对试样的冲击加载，通过超动态应变仪将测得的电信号转换为压力值，代入有限元程序，使用位移外推法计算试样的动态应力强度因子，再根据裂纹止裂时刻确定动态止裂韧度。

进一步，该冲击载荷下I型裂纹动态止裂韧度测试方法包括以下步骤：

第一步，采用特别设计的侧开单裂纹半孔板，为砂岩材料；试样尺寸为：a＝10mm，L₁＝15mm，L₂＝130mm，H＝40mm，D＝30mm，试件厚度B＝30mm，动态体积模量12GPa，动态剪切模量7.2GPa；密度ρ＝3g/cm³抗拉强度σ_t＝4MPa；

第二步，借助于大直径分离式霍普金森压杆系统，使用系统配套的超动态应变仪进行数据采集，采样频率为20MHz，断裂及其裂纹止裂的时刻通过试样裂尖处裂纹扩展计电信号来确定，具体原理为，裂纹扩展计黏贴在试件表面，且丝栅垂直于裂纹尖端，裂纹扩展时会造成裂纹扩展计丝栅断裂，裂纹尖端尽量位于裂纹扩展计丝栅中间位置，丝栅的断裂会造成裂纹扩展计整体阻值的变化，从而整体电路的总电阻会相应地产生变化，超动态应变仪测量的是并联电路两端的电压，丝栅断裂电压变化在监测分压信号图像中会发生一个突变；

根据上述原理，超动态应变仪采集到的电压信号是一个台阶状变化的曲线，其每一次的突变代表着某根丝栅的断裂，根据电压信号变化间接计算出裂纹尖端扩展到丝栅位置，当裂纹扩展至某处，发生止裂现象是，电压信号无阶跃性变化，此时得到试样的止裂时刻t_a。

本发明提供的冲击载荷下I型裂纹动态止裂韧度测试方法，利用大直径分离式霍普金森压杆，采用实验-数值方法确定试样的动态止裂韧度，通过试验得到的应变信号来确定试样承受的荷载及裂纹止裂的时间，将得到的时程曲线输入有限元程序Ansys，利用1/4节点单元计算裂尖的近场位移，进而使用位移外推法求得试样I型动态断裂应力强度因子的时程曲线，裂纹止裂时刻对应的应力强度因子值即为材料的动态止裂韧度，从而给出了在冲击载荷下I型裂纹的动态止裂韧度测试新方法。本发明的方法简单，操作方便，对研究在冲击动载荷下岩石的动态断裂特性应更有现实应用意义。

附图说明

图1是本发明实施例提供的冲击载荷下I型裂纹动态止裂韧度测试方法流程图；

图2是本发明实施例提供的带裂纹的试件-侧开单裂纹半孔板；

图3是本发明实施例提供的大直径分离式霍普金森压杆设备加载示意图；

图4是本发明实施例提供的裂尖的裂纹扩展计粘贴位置示意图；

图5是本发明实施例提供的裂纹扩展计测量数据采集及处理后示意图；

图6是本发明实施例提供的裂纹扩展计止裂时刻t_f示意图；

图7是本发明实施例提供的试样的典型破坏模式图；

图8是本发明实施例提供的作用于试件的荷载时程曲线示意图；

图9是本发明实施例提供的裂纹尖端坐标及1/4节点奇异单元示意图；

图10是本发明实施例提供的试样的有限元模型及加载情况示意图；

图11是本发明实施例提供的动态应力强度因子时程曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的冲击载荷下I型裂纹动态止裂韧度测试方法包括以下步骤：

S101：利用侧开单裂纹半孔板试样，通过大直径分离式霍普金森压杆设备系统，实现对试样的冲击加载；

S102：将测得的电信号转换为压力值，带如有限元程序，使用位移外推法计算试样裂纹尖端的动态应力强度因子时程曲线，再根据裂纹止裂时刻确定动态止裂韧度。

本发明的工作原理：

本发明利用侧开单裂纹半孔板试样，借助大直径分离式霍普金森压杆实现对试样的冲击加载。通过超动态应变仪将测得的电信号转换为压力值，代入有限元程序，使用位移外推法计算试样的动态应力强度因子，再根据裂纹止裂时刻确定动态止裂韧度，从而形成了一整套针对准脆性材料I型裂纹，在冲击载荷下动态止裂韧度的测试方法。

本发明的具体实施例：

第一步，本发明采用特别设计的侧开单裂纹半孔板，如图2所示，试件为砂岩材料；试样尺寸为：a＝10mm，L₁＝15mm，L₂＝130mm，H＝40mm，D＝30mm，试件厚度B＝30mm，动态体积模量12GPa，动态剪切模量7.2GPa；密度ρ＝3g/cm³抗拉强度σ_t＝4MPa。

值得注意的是本发明中测试的动态止裂韧度是指裂纹扩展过程中的动态止裂韧度。

第二步，借助于大直径分离式霍普金森压杆系统实现冲击加载，如图3所示，使用系统配套的超动态应变仪进行数据采集，采样频率为20MHz，断裂及其裂纹止裂的时刻通过试样裂尖处裂纹扩展计电信号来确定，具体原理为，裂纹扩展计黏贴在试件表面，且丝栅垂直于裂纹尖端，裂纹扩展时会造成裂纹扩展计丝栅断裂，裂纹尖端尽量位于裂纹扩展计丝栅中间位置，裂纹扩展计粘贴位置如图4所示，丝栅的断裂会造成裂纹扩展计整体阻值的变化，从而整体电路的总电阻会相应地产生变化，超动态应变仪测量的是并联电路两端的电压，丝栅断裂电压变化在监测分压信号图像中会发生一个突变。

根据上述原理，超动态应变仪采集到的电压信号是一个台阶状变化的曲线，其每一次的突变代表着某根丝栅的断裂，进而对图像信号曲线进行处理，可以通过求导的方式得到突变瞬间时刻，如图5所示。根据电压信号变化间接显示出裂纹尖端扩展到丝栅位置，当裂纹扩展至某处且发生止裂现象是，电压信号处于常时无阶跃性变化状态，反映出裂纹处于止裂状态，此时得到试样的止裂时刻t_a，如图6所示。

试样的典型破坏模式如图7所示，可以看出大部分裂纹扩展路线是直的，属于典型的I型裂纹扩展破坏，本发明主要测试裂纹止裂时刻的断裂韧度，由于整个扩展过程都属于I型裂纹扩展状态，故测试为I型裂纹动态止裂韧度。

第三步，数值模拟计算：

本发明例采用实验-数值法进行计算，此方法进行实验确定止裂时间后，后续采用数值模拟计算计算动态应力强度因子。

计算动态应力强度因子

基于大直径霍普金森压杆设备进行动态断裂实验，使用超动态应变仪采集弹性杆上的应变片信号，通过数据处理软件Oringin进行数据处理，得到构型两端的动态加载历程——入射荷载P_L(t)和反射荷载P_R(t)

$\begin{array}{c}{P}_L\left(t\right)=EA\[{\mathrm{\ϵ}}_i\left(t\right)+{\mathrm{\ϵ}}_r\left(t\right)\]\\ P_R\left(t\right)={\mathrm{EA\ϵ}}_t\left(t\right)\end{array}---\left(1\right)$

其中，E是大直径分离式霍普金森压杆弹性杆弹性模量，A是弹性杆截面积，_i(t)为入射杆入射波应变时程信号，_r(t)为入射杆反射波应变时程信号，_t(t)为透射杆透射波应变时程信号。利用方程1可给出作用于试样的压力波形图(以压为正)，其结果如图8所示

按照断裂动力学理论，I型裂纹尖端附近的位移场可利用相对位移法计算其动态应力强度因子：

$\begin{array}{c}{u}_x=K_I\frac{1+v}{E}\sqrt{\frac{r}{2\mathrm{\π}}}cos\frac{\mathrm{\θ}}{2}(\mathrm{\κ}-cos\mathrm{\θ})\\ u_y=K_I\frac{1+v}{E}\sqrt{\frac{r}{2\mathrm{\π}}}\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}(\mathrm{\κ}-cos\mathrm{\θ})\end{array}---\left(2\right)$

在平面应变条件下，在裂纹某点的上下表面处，r＝r₀；θ＝±π，其裂纹的张开位移可表示为u_y(r₀,+π)-u_y(r₀,-π)，由式(2)可得：

$u_y(r,\±\mathrm{\π})=\±\frac{4(1-v^2)K_I}{E}\sqrt{\frac{r}{2\mathrm{\π}}}---\left(3\right)$

由式(3)可得裂纹表面某点处的张开位移为：

$u_y(r_0,+\mathrm{\π})-u_y(r_0,-\mathrm{\π})=\frac{8(1-v^2)K_I}{E}\sqrt{\frac{r_0}{2\mathrm{\π}}}---\left(4\right)$

式(2)所采用的极坐标及1/4节点奇异单元如图9所示，在裂尖周围使用1/4节点奇异单元描述裂纹尖端应力场和应变场的奇异性，试样处于平面应变状态。利用有限元法算出裂纹面上节点A，B，A’，B’随时间变化的位移值，然后求出动态应力强度因子K_I(t)，其计算公式为：

$K_I\left(t\right)=\sqrt{2\mathrm{\π}}\frac{E}{1-v^2}\frac{u_y\left(t\right){|}_{{\mathrm{AA}}^{\′}}}{8\sqrt{r_0}}---\left(5\right)$

其中，

u₂(t)|_AA'＝u₂(r₀,π,t)|_A-u₂(r₀,-π,t)|_A' (6)

本发明采用有限元软件ANSYS计算裂纹尖端处的应力强度因子，试样的有限元模型及加载情况如图10所示，在裂纹尖端处采用6节点三角形单元，如图9所示，其余全部采用四边形8节点等参元，其材料参数及模型尺寸已在2；1节给出。总共有4493的单元，13790个节点。

作用在孔洞边界上的动载荷按照图8中曲线的原始数据输入，按照式(6)计算出在某一时刻裂纹尖端AA′的距离，并代入式(5)计算出在该时刻的I型动态应力强度因子。

计算结果

图11给出了在这一过程中试样的动态应力强度因子的时程曲线，可以看出，应力强度因子随时间的增大而增大。

在此我们所测试的是裂纹在起裂时刻的动态止裂韧度，即为图11中曲线在t_a时刻的应力强度因子值：

$K_{IA}^d=K_I^d\left(t_a\right)=K_I^0\left(t_a\right)---\left(7\right)$

其中t_f是裂纹止裂时刻，即从裂纹开始扩展的时间。其加载速率可以用裂纹的动态止裂韧度与裂纹起裂时间的比，即：

${\stackrel{\·}{K}}_I=K_{IA}/t_a---\left(8\right)$

按上述方法，最终得出该组试件的动态止裂韧度及其加载速率并将其平均值列于表1中。

表1试样平均动态止裂韧度及平均加载速率：

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种冲击载荷下I型裂纹动态止裂韧度测试方法，其特征在于，该冲击载荷下I型裂纹动态止裂韧度测试方法利用侧开单裂纹半孔板试样，借助于大直径分离式霍普金森压杆，实现对试样的冲击加载，将测得的电信号通过转换装置(超动态应变仪)转换为压力值，数据文件格式为文本文档，两列，一列为时间，一列为对应的压力值；将此压力时程曲线通过有限元程序的数据接口进行导入；建立模型后，在试件接触面添加边界条件，将上述的压力时程曲线作为荷载添加；利用软件的瞬态动力分析技术，计算试件的瞬态位移场，而后使用位移外推法计算试样的动态应力强度因子，即根据I型裂纹近场的位移与应力强度因子的关系：得到应力强度因子与相对位移的关系：从而借助有限元软件，通过上述公式得到应力强度因子的时程曲线，再根据裂纹止裂时刻确定动态止裂韧度。

2.如权利要求1所述的冲击载荷下I型裂纹动态止裂韧度测试方法，其特征在于，该冲击载荷下I型裂纹动态止裂韧度测试方法包括以下步骤：

第一步，采用特别设计的侧开单裂纹半孔板，为砂岩材料；试样尺寸为：a＝10mm，L₁＝15mm，L₂＝130mm，H＝40mm，D＝30mm，试件厚度B＝30mm，动态体积模量12GPa，动态剪切模量7.2GPa；密度ρ＝3g/cm³抗拉强度σ_t＝4MPa；

第二步，借助于大直径分离式霍普金森压杆系统，使用系统配套的超动态应变仪进行数据采集，采样频率为20MHz，断裂及其裂纹止裂的时刻通过试样裂尖处裂纹扩展计电信号来确定，具体原理为，裂纹扩展计黏贴在试件表面，且丝栅垂直于裂纹尖端，裂纹扩展时会造成裂纹扩展计丝栅断裂，裂纹尖端尽量位于裂纹扩展计丝栅中间位置，丝栅的断裂会造成裂纹扩展计整体阻值的变化，从而整体电路的总电阻会相应地产生变化，超动态应变仪测量的是并联电路两端的电压，丝栅断裂电压变化在监测分压信号图像中会发生一个突变；

根据上述原理，超动态应变仪采集到的电压信号是一个台阶状变化的曲线，其每一次的突变代表着某根丝栅的断裂，根据电压信号变化间接计算出裂纹尖端扩展到丝栅位置，当裂纹扩展至某处，发生止裂现象是，电压信号无阶跃性变化，此时得到试样的止裂时刻t_a；建立有限元模型，将压力时间曲线作为荷载输入，得到位移时间曲线，进而得到应力强度因子时间曲线，根据t_a确定止裂韧度。