CN108507887A - 一种中低速冲击载荷下i型裂纹动态止裂韧度测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在中低速冲击载荷下I型裂纹动态止裂韧度测试方法，该发明属于岩石和混凝土工程技术领域，试件构型为发明者自行设计的V形侧开单裂纹半孔板试样，该试样具有V形底部边界，在冲击荷载下产生倾斜向上的压缩波，该压缩波的水平分量对扩展裂纹具有压缩作用，进而可实现对扩展裂纹进行止裂。试验采用中低速落锤冲击试验装置，并用有限元差分软件AUTODYN进行了模拟计算，其结果与试验结果基本一致。将得到的荷载应力时程曲线输入到有限元程序ABAQUS，求出试样I型裂纹动态应力强度因子的时程曲线，最后通过裂纹的止裂时刻确定材料的动态止裂韧度。上述即为中低速冲击荷载作用下纯I型裂纹动态止裂韧度测试方法；本发明的试件构型简单，易于加工，且试验过程简洁明了，操作方便，适于裂纹动态扩展行为研究及动态断裂韧度的测试。

Description

一种中低速冲击载荷下I型裂纹动态止裂韧度测试方法

技术领域

本发明属于岩石及混凝土工程技术领域，尤其涉及在中低速冲击载荷下I型裂纹动态止裂韧度的测试方法研究。

背景技术

在岩石及混凝土等脆性材料中存在大量的节理、裂纹等缺陷，其中裂纹也是大部分学者所关注的主要缺陷之一。在冲击荷载作用下，裂纹会扩展破坏，进而引起整个结构的失稳破坏。因此在动载荷下裂纹扩展速度、扩展距离及扩展方向等扩展行为，是当前岩石动力学研究中亟需解决的重要课题之一，同时也是非常重要的基础性研究。

而在实验方面，关于动态断裂实验，学者们也采用了各种各样的加载方式。当前应用比较广泛的是Hopkinson压杆加载技术，该实验技术广泛用于研究高加载率下工程材料的力学响应和动态断裂行为。同时另一种使用较为广泛的技术为落锤式冲击加载技术，它广泛用于研究中低速载荷下的力学响应。在冲击试验中，夏比(Charpy)冲击试验方法是应用较为广泛的试验方法。欧洲结构完整性协会(ESIS)和美国的材料与试验学会(ASTM)先后提出了夏比(Charpy)冲击试验推荐标准。现今冲击载荷下岩石动态断裂韧度测试技术主要有光测技术、电测技术以及试验-数值法等。其中光测技术主要包括：高速摄影技术、动态光弹性试验方法、动态焦散线试验方法、动云纹试验方法、CGS试验方法(相干梯度传感方法)和DIC方法(Digital Image Correlation，简称DIC)等；电测技术包括：电阻、电容、电感等方法，其中运用最普遍的是电阻应变片测试法；试验-数值法是指将以试验得到的试件承受的载荷时程曲线为数值模型的荷载边界条件，对试件进行数值计算，进而算出其动态断裂韧度。本发明试验即是采用中低速落锤冲击装置，并结合试验-数值法得以实现的。

目前国内外关于冲击荷载作用下岩石的动态断裂行为研究主要集中于起裂和扩展阶段，对于止裂阶段的研究虽取得一些进展，但尚未成熟，尤其是关于中低速加载下岩石的动态断裂行为的研究。裂纹的止裂现象有时会发生在裂纹扩展过程中，动态裂纹扩展速度并不是一个恒定常数，在裂纹扩展的整个过程中，会出现停滞的现象。对于止裂的研究，不论是在理论上还是在工程实际中，都具有非常重要的工程实际意义，而目前关于止裂的研究，大都集中于金属材料上。岩石作为一种天然的材料，由于其材质的特殊性，关于其止裂的研究有一定的难度，但是如果能很好地解决关于岩石动态断裂的问题，对指导工程实际中出现的系列状况，如深部采矿、页岩气开采、地震导致的地壳板块的断裂与错动等，都有重要意义。

岩石动态断裂韧度作为判别裂纹动态扩展行为的重要参数，也是地下岩土工程结构设计者需要掌握的最主要参数之一，因此有众多学者采用不同构型试件进行了大量理论、试验及数值模拟研究。其中，中心直裂纹巴西圆盘(CSTFBD)，巴西半圆盘(SCB)，单裂纹圆孔板(SCDC)，侧开单裂纹半孔板(SCSC)等是当前岩石动态断裂韧度测试中广泛使用的试件。因此，关于岩石动态断裂力学的基础性研究必不可少，同时，也亟须提出一个合理的构型，用于研究岩石动态断裂的整个过程，即起裂、扩展以及止裂各个阶段，并测试出岩石的动态断裂韧度。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种在中低速冲击荷载下I型裂纹动态止裂韧度的测试方法，且提出新的构型试件以适于研究裂纹扩展过程中的止裂现象，本发明例提出的方法简单易行，可计算出裂纹断裂全过程的断裂韧度。

本发明实施例实现过程如下，在中低速冲击荷载下I型裂纹动态止裂韧度的测试方法，该测试方法模型为V型边界侧开单裂纹半孔板试样，通过中低速落锤冲击实验装置对试样进行冲击加载，同时试件下端与钢板接触的接触面反射给试件压缩波，对向下扩展中的裂纹产生止裂作用，其倾斜入射的压缩波在水平方向的压应力分量对裂纹有抑制作用。通过超动态应变仪将测得的电信号转换为压力值，带入有限元程序，基于位移外推法计算出试样的动态应力强度因子，再根据裂纹扩展计测出的裂纹止裂时刻确定动态止裂韧度。

简言之，该中低速冲击载荷下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V型边界侧开单裂纹半孔板，材质为砂岩；试样尺寸为：a＝25mm，L₁＝37.5mm，L₂＝287.5mm，H＝100mm，D＝37.5mm，试件厚度B＝20mm，底边角度为α，弹性模量12.5GPa，泊松比0.26；密度ρ＝2.350g/cm³，抗拉强度σ_t＝30MPa。

第二步，试验装置为中低速落锤冲击实验装置，通过数据采集系统进行数据采集，采样频率为10MHz，即1微秒采集10个数据点。根据裂纹扩展计所测出的电信号，可捕捉到裂纹各个断裂阶段及止裂时刻。其原理为，沿着裂纹扩展路径将裂纹扩展计粘贴在试件表面，其丝栅垂直于裂纹，并将第一根丝栅覆盖裂纹尖端，裂纹尖端尽量位于裂纹扩展计丝栅中间位置，裂纹扩展计的丝栅会随着裂纹的扩展而断裂，丝栅的断裂会导致裂纹扩展计的电阻增大，从而致使其电压信号发生阶跃式的变化。

由上文所述可知，通过数据采集系统，采集到的电压信号是阶梯状变化的曲线，每一次的突变代表着某根丝栅的断裂，将电压信号对时间求导，其导数的极值时刻即为裂纹扩展至此根丝栅时刻，当裂纹扩展至某处，发生止裂现象时，电压信号呈现为无阶跃性变化，此时刻记为t_a，即为裂纹止裂时刻；进而借助有限元软件，建立一比一的数值模型，将压力时程曲线作为荷载，输入到数值计算中，可得到应力强度因子时程曲线，根据上述得到的时刻t_a可确定裂纹的动态止裂韧度。

本发明提出的此测试方法，是采用实验-数值法，以获得在中低速冲击荷载下I型裂纹动态止裂韧度。首先利用中低速落锤冲击实验装置，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刻，并将得到的时程曲线输入有限元程序ABAQUS，利用ABAQUS有限元软件建立数值模型，其中试件尺寸、材料参数及本构关系等与试验一致。裂纹尖端采用6节点三角形单元，其余单元为8节点四边形单元。为了消除裂纹尖端应力的奇异性造成的非正常应力状态，在裂纹尖端设置1/4节点奇异单元。通过裂纹面上点的位移，利用位移外推法，可确定裂纹动态应力强度因子，裂纹止裂时刻对应的动态应力强度因子值，即为材料的动态止裂韧度。上述即为在中低速冲击载荷下I型裂纹动态止裂韧度测试新方法。本发明中的试件易于加工，且实验过程简单明了，试验步骤易于操作，在研究岩石在冲击载荷下的动力响应及断裂特性上具有很强的优势。

附图说明

图1是本发明实施例提供的在中低速冲击载荷下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预制裂纹的试件——V型边界侧开单裂纹半孔板；

图3是本发明实施例提供的中低速落锤冲击实验加载装置示意图；

图4是本发明实施例提供的数据采集系统示意图；

图5是本发明实施例提供的裂尖处裂纹扩展计及其粘贴位置示意图；

图6是本发明实施例提供的裂纹扩展计测量数据采集处理后及止裂时刻t_a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AUTODYN模拟模型示意图；

图11是本发明实施例提供的实验结果和AUTODYN模拟结果对比图；

图12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

为了更加清晰明了地解释本发明的目的、技术方案及优点，下文将结合实施例，对本发明实施过程进行全面的阐述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，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，本发明实施例在中低速冲击载荷下I型裂纹动态止裂韧度的测试方法包括以下步骤：

Step1：利用V型边界侧开单裂纹半孔板试样，通过中低速落锤冲击实验装置对试样的冲击加载，测试裂纹的止裂位置及止裂时间，以完成实验；

Step2：将测得的电压信号转换为压力值，带入ABAQUS有限元程序，基于位移外推法，可计算试样裂纹尖端的动态应力强度因子时程曲线，从而根据裂纹止裂时刻，确定其动态止裂韧度值。

本发明的工作原理：

本发明利用V型侧开单裂纹半孔板试样，采用中低速落锤冲击实验装置实现对试样的冲击加载，通过试件下端接触的钢板反射给试件压缩波，对向下扩展中的裂纹进行止裂，其倾斜入射的压缩波在水平方向的压应力分量对裂纹扩展有抑制作用。将通过数据采集系统采集到的电信号转换为压力时程曲线，代入有限元程序，基于位移外推法计算出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，最终完成在中低速冲击载荷下I型裂纹动态止裂韧度的测试方法这整个流程。

本发明的具体实施例流程：

第一步，本发明采用特别设计的V型侧开单裂纹半孔板，如图2所示，下文以底边为120°角试件为例，试件为砂岩材料；试样尺寸为：a＝25mm，L₁＝37.5mm，L₂＝287.5mm，H＝100mm，D＝37.5mm，底边角度α＝120°，试件厚度B＝20mm，弹性模量12.5GPa，泊松比0.26；密度ρ＝2.350g/cm³，抗拉强度σ_t＝30MPa；需注意的是，本发明中测试的止裂韧度是指裂纹扩展过程中的动态止裂韧度。

第二步，采用中低速落锤冲击实验装置，实验装置如图3所示，并使用系统配套的数据采集系统进行数据采集，数据采集系统如图4所示。采样频率为10MHz，即1微秒采集10个数据点，裂纹的断裂过程及其止裂的时刻通过粘贴于试样裂尖处的裂纹扩展计采集到的电信号来确定，具体原理为，裂纹扩展计沿着裂纹扩展路径粘贴在试件表面，且丝栅垂直于裂纹，并将第一根丝栅与裂纹尖端重合，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5所示。随着裂纹的扩展，会造成裂纹扩展计丝栅的断裂，丝栅的断裂会导致裂纹扩展计的电阻增大，从而致使采集到的电压信号发生阶跃式变化。

从上述可知，通过数据采集系统采集到的电压信号是一个阶梯状变化的曲线，丝栅的断裂会导致电压信号阶跃式变化，如图6所示，将电压信号对试件求导，其导数的极值时刻即为裂纹扩展至此根丝栅的时刻，当裂纹扩展至某处，发生止裂现象时，电压信号将无阶跃性变化，此时可得到试样的止裂时刻t_a；建立有限元模型，将压力时程曲线作为荷载输入，得到位移时程曲线，基于位移外推法，得到应力强度因子时程曲线，进而根据t_a可确定止裂韧度。

图7所示为试件典型破坏，可以看出裂纹呈直线扩展，属于典型的I型裂纹扩展破坏。本发明主要测试的是裂纹止裂时刻的断裂韧度，由试验可知整个扩展过程均属于I型裂纹扩展状态，故本测试结果为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，其原理为通过实验得到加载波形及确定的止裂时间，进而把试验所得加载波形输入到有限元软件中进行数值模拟计算，可得到动态应力强度因子时程曲线，同时根据止裂时间进一步得到动态裂纹止裂韧度。

计算动态应力强度因子：

采用中低速落锤冲击实验装置进行动态断裂实验，通过数据采集系统采集入射板和透射板上的应变片信号，导入数据处理软件Origin进行数据处理，进而可得到构型两端的压力时程曲线——入射板对试件入射端的荷载P_i(t)和透射板对试件下端的荷载P_t(t)

其中，E是试验装置中入射板和透射板弹性模量，A是相应的入射板和透射板的截面积，ε_i(t)为入射板入射波应变时程信号，ε_r(t)为入射板反射波应变时程信号，ε_t(t)为透射板透射波应变时程信号。通过式(1)，可得到作用于试样的压力波形图(以压为正)，如图8所示。

根据断裂动力学理论，图9中I型裂纹尖端附近x方向的位移场可写为：

其中：

在平面应变条件下，其裂纹的张开位移可表示为u(r,+π,t)-u(r,-π,t)，由式(2)可得：

其中，由式(3)可得裂纹表面某点处的张开位移为：

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。设裂纹面上节点A，B，O的应力强度因子分别为K_IA(t)，K_IB(t)，K_IO(t)，其中K_IO(t)即为裂尖处的应力强度因子值K_I(t)，从图9中的关系r_OB＝4r_OA，可得裂尖的应力强度因子计算公式为：

根据公式(4)，可将式(5)写为，

同时本发明采用有限元差分软件AUTODYN进行模拟，试样的有限元模型如图10所示。模拟结果与实验结果基本一致，对比图如图11所示。接着采用有限元软件ABAQUS计算裂纹尖端处的应力强度因子，在裂纹尖端处采用6节点三角形单元，其余全部采用8节点四边形单元，其材料参数及模型尺寸已在上文中给出。

将图8中的压力时程曲线输入有限元软件中，基于式(6)即可计算出在该时刻的I型动态应力强度因子。

计算结果：

如图12所示，为试样动态应力强度因子时程曲线，其水平轴上t_a时刻所对应的应力强度因子值即为止裂韧度。

上述仅为本发明例较佳实施例流程，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.此发明是基于中低速冲击载荷下的I型裂纹动态止裂韧度的测试方法。主要特征在于，基于中低速冲击载荷下I型裂纹动态止裂韧度测试方法所利用的V型边界侧开单裂纹半孔板试样和中低速落锤冲击实验装置，将测得的电信号通过数据采集系统采集，并通过后续数据处理将电压值转换成压力值，数据文件储存为表格，存储内容为时间值及对应的压力值；将此压力时程曲线导入有限元程序ABAQUS；在有限元软件中一比一建立模型后，其中试件尺寸、材料参数及本构关系等与试验一致，将上述所得的压力时程曲线设置为载荷边界；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型裂纹近场位移与应力强度因子的关系：进而得到应力强度因子与裂纹面上点的位移关系：其中裂纹面上A和B点的位移u(r_OA,+π,t)和u(r_OB,+π,t)可以通过有限元软件计算得到，然后利用上述公式即可得到应力强度因子的时程曲线，再根据实验所测得的裂纹止裂时刻，进而可确定裂纹的动态止裂韧度。

2.如权利要求1中所述，在中低速冲击载荷下I型裂纹动态止裂韧度测试方法，该中低速冲击荷载下I型裂纹动态止裂韧度测试方法包括以下步骤：

第一步，采用自行提出特别设计的V型边界侧开单裂纹半孔板，材质为砂岩材料；试样尺寸为：a＝25mm，L₁＝37.5mm，L₂＝287.5mm，H＝100mm，D＝37.5mm，试件厚度B＝20mm，底边角度为α，弹性模量12.5GPa，泊松比0.26；密度ρ＝2.350g/cm³，抗拉强度σ_t＝30MPa。

第二步，借助于中低速落锤冲击实验装置，使用数据采集系统进行数据采集，采样频率为10MHz，即1微秒采集10个数据点。裂纹扩展计所测出的电信号，用于裂纹断裂过程记录及止裂时刻的确定。具体原理为，裂纹扩展计沿着裂纹扩展路径粘贴在试件表面，且丝栅垂直于裂纹，并将第一根丝栅与裂纹尖端重合，裂纹尖端尽量位于裂纹扩展计丝栅的中间位置，裂纹扩展计丝栅会随着裂纹的扩展而依次断裂，丝栅逐根断裂会导致裂纹扩展计的电阻增大，从而致使其电压信号发生阶跃式的变化。

由上文所述可知，通过数据采集系统，采集到的电压信号是阶梯状变化的曲线，每一次的突变代表着某根丝栅的断裂，将电压信号对时间求导，其导数的极值时刻即为裂纹扩展至此根丝栅时刻，当裂纹扩展至某处，发生止裂现象时，电压信号呈现为无阶跃性变化，此时刻t_a，即为裂纹止裂时刻；进而借助有限元软件，建立一比一的数值模型，将压力时程曲线作为荷载，输入到数值计算模型中，得到应力强度因子时程曲线，根据上述得到的时刻t_a可确定裂纹的动态止裂韧度。