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

本发明专利技术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，该发明专利技术属于岩石和混凝土工程技术领域，试件构型为发明专利技术者自行设计的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；本发明专利技术的试件构型简单，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。

A test method for dynamic crack arrest toughness of I type crack under medium and low speed impact load

The invention discloses a method for measuring dynamic crack arrest toughness of mode I crack under medium and low speed impact loading. The invention belongs to the technical field of rock and concrete engineering. Compression wave, the horizontal component of the compression wave can compress the propagation crack, and then can stop the propagation crack. The experiment was carried out by means of a drop hammer impact test device at medium and low speed, and the finite element difference software AUTODYN was used to simulate and calculate the results, which were basically consistent with the test results. The obtained load stress time history curve is input into the finite element program ABAQUS, and the time history curve of the dynamic stress intensity factor (DSIF) of mode I crack is obtained. Finally, the dynamic crack arrest toughness of the material is determined by the crack arrest time. The test method for dynamic crack arrest toughness of pure mode I crack under medium and low speed impact loading is described in this paper.

【技术实现步骤摘要】
一种中低速冲击载荷下I型裂纹动态止裂韧度测试方法
本专利技术属于岩石及混凝土工程
，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。
技术介绍
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(DigitalImageCorrelation，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。本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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σt＝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ta，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ta可确定裂纹的动态止裂韧度。本专利技术提出的此测试方法，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。本专利技术中的试件易于加工，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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术实施例提供的中低速落锤冲击实验加载装置示意图；图4是本专利技术实施例提供的数据采集系统示意图；图5是本专利技术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是本专利技术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ta示意图；图7是本专利技术实施例提供的试样的典型破坏模式图；图8是本专利技术实施例提供的作用于试件的荷载时程曲线示意图；图9是本专利技术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是本专利技术实施例提供的试样的AUTODYN模拟模型示意图；图11是本专利技术实施例提供的实验结果和AUTODYN模拟结果对比图；图12是本专利技术实施例提供的动态应力强度因子时程曲线示意本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.此专利技术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：

【技术特征摘要】
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(rOA,+π,t)和u(rOB,+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...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱哲明，汪小梦，王蒙，周磊，应鹏，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51