冲击荷载作用下的_复合型裂纹扩展规律研究_王蒙_朱哲明_王雄

Abstract：The dynamic fracture experiments to a single cleavage semi-circle(SCSC) specimen with the split Hopkinson pressure bar(SHPB) equipment were conducted in order to study the fracture behavior of pure mode I and mixed-model I/II cracks under dynamic loads. The crack propagation speed was measured with a crack propagation gauge system and a high speed photography system respectively. Several numerical models for the pure mode I and mixed mode I/II were established based on Drucker-Prager strength model and cumulative damage(CD) failure criterion. The crack propagation behavior was simulated with the code AUTODYN. The crack propagation paths predicated with the numerical simulation agreed well with the experimental results. The propagation speed was found not to be a constant. The crack propagation may stop，i.e. the phenomenon of crack arrest happened. The phenomenon was captured by the crack propagation gauge system and the high speed photography system. The results of the high speed photography system are visualized easily. Key words：rock mechanics；dynamic crack propagation；split Hopkinson pressure bar(SHPB) test；numerical simulation；single cleavage semi circle(SCSC) specimen
图1 Fig.1
wenku.baidu.com
测量岩石动态断裂韧度的三种构型
Three kinds of specimens used in measuring rock dynamic fracture toughness
I/II 复合型断裂。 2.1 SCSC 试件构型 图 1 展示了 3 种著名的试件，即中心直裂纹平 台巴西圆盘(CSTFBD)试件、巴西半圆盘(SCB)试件 以及压缩单裂纹圆孔板(SCDC)试件， 都可以用来测 量岩石动态断裂韧度。但是很容易发现，CSTFBD 和 SCB 试件裂纹扩展路径小，扩展过程观测困难， 上述原因使它们并不适用于裂纹扩展行为上的研 究。为了给裂纹扩展提供足够的空间，试件必须足够 大，因此 D. Grégoire 等[29]中又提出了图 1(c)所示的 新构型试件。 虽然图 1(c)构型足够大了，并且也已被用于裂 纹扩展行为的研究，但是有下述问题值得考虑：随 着实验进行，在预制裂纹扩展的同时，试件左侧后 期会产生平行于预制裂纹的不相干裂纹，对预制裂 纹的扩展造成影响，限制了主裂纹的扩展长度。 为了研究动荷载作用下 I/II 复合型裂纹的扩展
• 1324 •
岩石力学与工程学报
2016 年
过数值方法重现，那么实验结果的有效性就能得到
1
引
言
检验和辨别。因此，实验与数值模拟相结合的方法 在岩石动态研究中是有效而又可靠的，许多研究人 员已经使用了这种方法，例如 D. J. Reddish 等[17]使 用实验室落锤实验和数值模型来研究冲击能量对柱 形花岗岩试件的碎裂化水平的影响；T. Saksala 等[18] 发展了基于黏塑性和损伤力学的有限元数值模型来 模拟动态巴西圆盘实验。 AUTODYN 是一款数值分析软件，可以分析具 有几何非线性和材料非线性的动力学相关问题，且 已被成功应用于岩石材料在爆炸和冲击荷载下的断 裂研究[19-23]。在裂纹扩展的研究中，研究者主要关 注于裂纹的起裂和断裂韧度[8 段[27-28]。 本文借助 SHPB 实验装置和数值模拟的方法研 究了在冲击荷载作用下岩石复合型断裂扩展行为， 基于构型单裂纹半孔板(SCSC)进行了纯 I 和 I/II 复 合型断裂实验。并且，分别采用裂纹扩展计和高速 摄影系统，测量了裂纹扩展速度；采用高速摄影系 统观察裂纹动态扩展路径。同时，使用 AUTODYN 软件进行了裂纹动态扩展的数值研究。
第 35 卷 第 7 期 2016 年 7 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.35 No.7 July，2016
冲击荷载作用下的 I/II 复合型裂纹扩展规律研究
王 蒙，朱哲明，王 雄
(四川大学 能源工程安全与灾害力学教育部重点实验室，四川 成都 610065)
收稿日期：2015–09–08；修回日期：2015–11–23 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51074109)；四川省科技计划项目(2014JY0002)；西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室资助项 目(PLN1202) Supported by the by the National Natural Science Foundation of China(Grant No. 51074109)，Science and Technology of Sichuan Province(Grant No. 2014JY0002) and the Open Fund of State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation(Grant No. PLN1202). 作者简介： 王 蒙 (1987 –)，男，博士，2010 年毕业于四川大学工程力学专业，现为专职博士后，主要从事岩石力学方面的研究工作。 E-mail ： wangmeng.hebei@qq.com。通讯作者：朱哲明(1965–)，男，现任教授、博士生导师。E-mail：zhemingzhu@hotmail.com DOI：10.13722/j.cnki.jrme.2015.1260
为的巨大差异，使复合型断裂特性变成了一个很复 杂的问题。此时，最好的研究方法是：首先积累大 量复合型断裂的实验数据，然后基于此数据，使用 数值模型来研究其断裂机制，从而更好地探索控制 断裂结果的主导参数。本文将会同时使用实验和数 值模拟 2 种研究方法。 与静荷载作用相比，动荷载作用下的断裂机制 更为复杂。近年来，岩石动态断裂的实验研究有了 长足进步，提出了多种研究方法，例如实验–数值 法[12]、应变片法[13]和高速摄影法[14-15]等。随着 SHPB 实验装置的发展改进，大直径的弹性杆得到应用， 这对于岩石和混凝土材料来说是十分必要的。目前， SHPB 已经成为研究材料在高应变率下的动态本构 关系和材料动态断裂机制参数的理想实验装置
[16]
。
然而，在 SHPB 实验中依然存在许多问题，例如实 验结果难以处理、不稳定等。如果实验结果可以通
第 35 卷
第7期
王
蒙等：冲击荷载作用下的 I/II 复合型裂纹扩展规律研究
• 1325 •
a
a
Pi (t )
2a
Pi (t )
Pi (t )
R (a) CSTFBD 试件构型 (b) SCB 试件构型 (c) 新构型
[11] [9-10] [8] [7] [5] [2] [1]
，而关于裂纹在
冲击荷载下的动态扩展问题的研究仍处于初步阶
。 然而上述构
型多用于裂纹起裂研究，在裂纹扩展及其止裂方面
2
SCSC 试件构型和 SHPB 实验装置
在本文中，关注冲击荷载作用下岩石的纯 I 及
表明，I 和 II 型混合比例的不同会造成断裂行
The growth of mixed-mode I/II crack under impacting loads
WANG Meng，ZHU Zheming，WANG Xiong
(Key Laboratory of Energy Engineering Safety and Disaster Mechanics，Minstry of Education，Sichuan University， Chengdu，Sichuan 610065)
摘要：为了研究纯 I 和 I/II 复合型裂纹在冲击荷载作用下的动态断裂行为，基于提出的单裂纹半孔板(SCSC)构型 和大直径分离式霍普金森压杆设备，使用 2 种石材进行岩石的纯 I 和 I/II 复合型的动态断裂实验；同时，实验中使 用新装置(裂纹扩展计和高速摄影系统)来监测裂纹的扩展速度。为了检验实验结论，基于 Drucker-Prager 强度模型 和累积损伤失效准则，建立针对纯 I 和 I/II 复合型裂纹的数值模型，并使用 AUTODYN 软件来模拟裂纹的扩展行 为。总体上，由数值模拟得到的裂纹扩展路径和实验结果十分吻合。研究结果表明，在裂纹扩展的过程中，其扩 展速度是一个变化量，甚至有可能停滞，也就是说可能出现止裂现象；同时，CPG 和高速摄影系统都可以很好的 反映出此现象，并且高速摄影系统更加直观，说明在动态断裂研究中是适用的，同时给出纯 I 型动态断裂实验裂 纹扩展速度特征，供工程参考。 关键词：岩石力学；动态裂纹扩展；分离式霍普金森压杆实验；数值模拟；单裂纹半孔板试件 中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2016)07–1323–10
，24-26]
岩石动态断裂韧度是断裂动力学的一个重要参 数，同时在动荷载作用下作为预测岩体发生突然断 裂的阈值，可以为增强岩体结构的稳定性提供方案， 避免突发断裂。由于其在设计中的重要地位，诸多 学者研究了通过使用不同的加载装置和构型来研 究、测量岩石动态断裂韧度的实验方法和技术，例 如中心直裂纹巴西圆盘(the cracked straight through Brazilian disc) 、边裂纹圆棒弯曲(the straight edge cracked round bar bend) 、径裂纹圆环 (the radial cracked ring)[3]、巴西圆盘(the Brazilian disk)[4]、中 心 圆 孔 裂 纹 平 台 巴 西 圆 盘 (the holed-cracked flattened Brazilian disk) 、中心圆孔裂纹平台巴西圆 盘(the holed-flattened Brazilian disk)[6]、平台巴西圆 盘(the flattened Brazilian disk) 、人字形切槽巴西圆 盘(the cracked chevron notched Brazilian disk) 以及 巴西半圆盘(the semi-circular bend) 研究极少。 除了受纯拉伸(纯 I 型)和纯剪切(纯 II 型)荷载作 用外， 自然界中多数裂纹都受到混合型荷载作用(拉 伸与剪切的结合)，此时产生断裂的类型为 I/II 复合 型断裂。对于复合型断裂，I 和 II 型应力强度因子 (SIF)同时存在，并且同时对断裂产生影响。研究结 果