一种I型裂纹在爆炸荷载下动态断裂全过程参数的测试方法技术

本发明专利技术“一种I型裂纹在爆炸荷载下动态断裂全过程参数的测试方法”公开了一种在爆炸荷载下I型裂纹的动态起裂韧度、动态扩展韧度以及动态止裂韧度的测试方法，属于岩土工程技术领域，自主设计了大尺寸内部单裂纹圆盘试件构型，测试结果不受反射拉伸波与透射波的影响，适用于研究爆炸全过程的裂纹扩展速度、扩展行为。爆炸加载采用8

【技术实现步骤摘要】
一种I型裂纹在爆炸荷载下动态断裂全过程参数的测试方法
本专利技术属于岩土工程
，涉及具有高加载率的爆炸荷载下I型裂纹动态断裂韧度的测试方法研究。
技术介绍
在众多岩体工程中，如矿井下的岩巷施工，山体隧道的开挖，地铁及防空工事的构建等，爆破一直是主要的破岩手段之一，主要原因是爆破方法具有简单、经济及高效等优点。然而我们对爆破过程的理解还不够深刻，这是因为炸药和岩石都是比较复杂的材料，爆破的效果同时取决于炸药的爆轰特征和周边岩体的动力学响应特征，其作用效果由一些爆轰参数所决定，如爆压、爆温、作用时间及传递给周边岩体的能量等。岩体对这种随着时间变化的高振幅应力波的动力学反应更加复杂，这首先是因为大部分与应变率相关的岩石动力学特性研究还不完善，其次是岩体内部存在大量节理裂隙，这些裂隙在爆炸荷载下的扩展规律我们还不是很了解。目前岩石断裂韧度测试方法研究主要采用Hopkinson压杆冲击荷载，并发展了一些新的实验试件及新的实验方法，来测试岩石的各种强度参数，包括岩石的起裂韧度及起裂角等。此外，早期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Charpy冲击试验方法，使用的试验设备是摆锤和落锤式试验机，这种方法简单易行，花费少，但其加载速率偏低，达不到爆炸荷载的加载速率，且采用准静态理论来计算材料的动态断裂韧度，有时不能准确反映材料的真实行为。对于摆锤加载方式及Hopkinson压杆加载方式来说，Hopkinson压杆加载方式可以克服摆锤加载方式的诸多缺点，是一种较为理想的加载方式，但不足的是使用SHPB设备，其试件的尺寸受到冲击杆的限制而太小，裂纹的扩展行为要受到反射拉伸波和透射波的影响，不适于研究裂纹的扩展行为。岩石的动态断裂与加载率有关，冲击实验发现，当加载率小于18.85×104MPa·m1/2·s-1，岩石的断裂韧度随着加载速率的增加有明显的上升。与冲击荷载相比，爆炸荷载峰值更大、加载速率更快，学者通过对岩石I型裂纹分别进行了准静态、落锤、轻气炮和爆炸4种不同加载速率的断裂实验，结果发现爆炸加载速率远远大于冲击荷载，起裂时间更短，因此，研究爆炸荷载下的岩石断裂破坏问题不能采用SHPB冲击荷载来代替，其断裂韧度也不能用冲击荷载下测试结果来代替。本方法将在此基础上进一步深入研究在爆炸荷载下断裂韧度的测试技术，包括起裂韧度、扩展韧度及止裂韧度的测试技术，这在国内外基本上还是空白。在爆炸荷载下的动态断裂韧度包括起裂韧度、扩展韧度及止裂韧度，它们是裂纹在整个扩展过程中的重要断裂参数，是目前岩石动力学研究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，因为这一测试技术可以应用于大部分脆性材料，因此它不仅涉及到地下各种工程结构稳定及各种地质灾害问题，也对与材料动态破坏相关的材料工程、冲击工程及常规兵器等众多领域都具有重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种在爆炸荷载下I型裂纹动态断裂韧度的测试方法，且提出新构型适用于研究加载全过程的裂纹扩展速度、扩展行为，测试结果不受反射拉伸波与透射波的影响，本专利技术例提出的方法简易可行，可计算出动态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，本测试方法采用的模型为大尺寸内部单裂纹圆盘试样，通过放置在炮孔处的8#雷管对试样进行爆炸加载，圆盘试件中存在的预制裂纹与炮孔是贯通，爆生气体对于裂纹尖端的起裂与扩展行为基本没有影响。炸药爆炸之后应力波从炮孔处传播至裂纹尖端，裂纹起裂、扩展，通过裂纹扩展路径上的裂纹扩展计记录下裂纹的扩展过程，炮孔附近粘贴的应变片记录应力波的加载波形。通过CS-1D超动态应变仪和DS1104示波器搭接的数据采集系统，把测得的应变片电信号转换为压力值，带入有限元程序，基于位移外推法，计算出动态扩展过程中裂纹尖端的动态应力强度因子，绘得动态应力强度因子时程曲线，并根据裂纹扩展计测得的电压台阶信号得到动态扩展中的裂纹扩展时刻，从而确定裂纹扩展过程中的起裂韧度、扩展韧度以及止裂韧度等动态断裂韧度参数。简言之，该爆炸荷载下I型裂纹动态断裂韧度测试方法包括以下步骤：第一步，采用专门为实验设计的大尺寸内部单裂纹圆盘试样，材质为砂岩；试样尺寸为：a=100mm，r=3.5mm，R=250mm，试件厚度B=20mm，应变片与炮孔距离h1=h2=30mm，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，爆炸测试采用8#雷管进行爆破，雷管放置在炮孔中心，并使用CS-1D超动态电阻应变仪和DS1104示波器进行数据采集，超动态应变仪的采样频率为10MHz，即1μs可以采集到10个数据点，裂纹的断裂时刻通过试件裂纹尖端处粘贴裂纹扩展计(crackpropagationgauge，简称CPG)记录的第一个断裂信号来确定。当裂纹尖端起裂时，CPG的第1根敏感栅被拉断，造成其电阻增大，致使CPG两端电压骤然增大产生台阶电压信号，表明裂纹开始起裂、扩展，随着裂纹的继续扩展，CPG剩余的敏感栅逐一被拉断，电阻逐渐增大，造成其两端电压信号逐渐增大，产生一次次的台阶电压信号。这样，动态裂纹每扩展一次，其扩展时刻就被记录下来。由上文所述可知，通过数据采集系统，采集到的裂纹扩展计电压信号是阶梯状变化的曲线，每一个台阶的出现代表着某根敏感栅的断裂，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敏感栅的时刻，第一个导数极值对应的时刻为裂纹起裂时刻，记为ti，之后的导数极值对应的时刻为裂纹扩展时刻，记为tp，最后一个导数极值对应的时刻为裂纹止裂时刻，记为ta；通过有限元数值计算软件，建立1:1的数值模型，将实验得到的实际材料参数与压力时程荷载曲线带入数值软件，得到应力强度因子时程曲线，通过断裂时刻ti、tp以及ta可确定动态裂纹的动态起裂韧度、扩展韧度以及止裂韧度等动态断裂参数。本专利技术提出的测试采用实验-数值法，首先，通过数据采集系统得到的应变信号来确定试样承受的爆炸应力波荷载，预制裂纹尖端粘贴的裂纹扩展计确定动态裂纹的扩展时刻，利用有限元程序ABAQUS建立1:1数值计算模型，并将得到的荷载曲线输入软件，其中试件尺寸、材料参数及本构关系等与试验一致。对于试件裂纹尖端动态应力强度因子的计算，采用ABAQUS隐式的动态分析数值方法模块进行求解，裂纹尖端采用6节点三角形单元CPS6，而其他区域则采用8节点四边形单元CPS8，加载时间步长设置为0.5μs，由于CPG监测的裂纹完全扩展大约需要137μs，因此共设置400个荷载步，共200μs。将裂纹视为理想尖锐裂纹，对裂纹尖端网格的划分进一步细化，防止裂纹尖端应力场的奇异性对动态应力强度因子计算精度产生误差。记录裂纹面质点位移，利用位移外推法，可确定试件I型裂纹的动态应力强度因子，裂纹起裂时刻、扩展时刻以及止裂时刻对应的动态应力强度因子值，即为材料的动态起裂韧度、动态扩展韧度以及动态止裂韧度。上述即为在爆炸荷载下I型裂纹动态断裂韧度测试新方法。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，在研究岩石在爆炸荷载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爆炸荷载下I型裂纹动态断裂韧度测试方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.此专利技术是基于爆炸荷载下的I型裂纹动态断裂韧度的测试方法。本方法特征在于利用大尺寸内部单裂纹圆盘试样，采用放置在炮孔处的8

【技术特征摘要】
1.此发明是基于爆炸荷载下的I型裂纹动态断裂韧度的测试方法。本方法特征在于利用大尺寸内部单裂纹圆盘试样，采用放置在炮孔处的8#雷管对试样进行爆炸加载，通过数据采集系统与粘贴在炮孔周围的径向、环向应变片测得的爆炸应力波电信号，并通过后数据处理软件将电压值转换成压力值；将实验得到压力时程曲线导入有限元程序ABAQUS，设置试件尺寸、材料参数及本构关系等参数建立1:1数值模型；根据数值软件计算数据，使用位移外推法计算试样预制裂纹尖端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：整理得到应力强度因子与裂纹尖端质点的相对位移的关系：将计算的应力强度因子绘制成时程曲线，再根据实验中裂纹扩展计记录的裂纹断裂时刻，确定I型裂纹的动态断裂韧度。2.如权利要求1中所述，在爆炸荷载下I型裂纹动态断裂韧度测试方法，该爆炸荷载下I型裂纹动态断裂韧度测试方法包括以下步骤：第一步，本发明采用特别设计的大尺寸内部单裂纹圆盘试样，如图2所示，试件为砂岩材料，试样尺寸为：a＝100mm，r＝3.5mm，R＝250mm，试件厚度B＝20mm，应变片与炮孔距离h1＝h2＝30mm，弹性模量12.5GPa，泊松比0.26；密度ρ＝2.350g/cm3，抗拉强度σt＝30MPa；需注意的是，本发明中测试的断裂韧度是指裂纹从起裂到扩展再到止裂过程中的韧度值。第二步，...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱哲明，刘瑞峰，王蒙，李盟，刘邦，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51