一種爆炸載荷下i型裂紋動(dòng)態(tài)斷裂韌度測(cè)試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種爆炸載荷下I型裂紋動(dòng)態(tài)斷裂韌度測(cè)試方法，利用雷管和帶裂紋的水泥砂漿試樣進(jìn)行了爆破試驗(yàn)研究，采用實(shí)驗(yàn)-數(shù)值方法確定試樣的動(dòng)態(tài)斷裂韌度，通過(guò)試驗(yàn)得到的應(yīng)變信號(hào)來(lái)確定試樣承受的荷載及裂紋起裂的時(shí)間，將得到的時(shí)程曲線輸入有限元程序Ansys，利用1/4節(jié)點(diǎn)單元計(jì)算裂尖的近場(chǎng)位移，進(jìn)而使用位移外推法求得試樣I型動(dòng)態(tài)斷裂應(yīng)力強(qiáng)度因子的時(shí)程曲線，裂紋起裂時(shí)刻對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子值即為材料的動(dòng)態(tài)斷裂韌度，從而給出了在爆炸載荷下I型裂紋的動(dòng)態(tài)斷裂韌度測(cè)試新方法。本發(fā)明的方法簡(jiǎn)單，操作方便，對(duì)研究在爆炸動(dòng)載荷下巖石的動(dòng)態(tài)斷裂特性應(yīng)更有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義。
【專利說(shuō)明】-種爆炸載荷下I型裂紋動(dòng)態(tài)斷裂初度測(cè)試方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于巖±工程【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種爆炸載荷下I型裂紋動(dòng)態(tài)斷裂初度 測(cè)試方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 爆破是巖±工程中廣泛采用的掘進(jìn)方法，所W巖石在爆炸載荷下的斷裂特性是巖 石動(dòng)力學(xué)的核也問(wèn)題之一。
[0003] 在巖石工程中，爆破一直是被廣泛采用的開(kāi)挖、開(kāi)采及掘進(jìn)的主要破巖手段之一。 所W巖石在爆炸動(dòng)載荷下的斷裂特性及斷裂初度是人們所關(guān)注的巖石動(dòng)力學(xué)的核也問(wèn)題 之一，其研究具有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用意義。
[0004] 對(duì)于金屬材料的靜態(tài)斷裂初性化1C，JIC)的測(cè)試方法也已經(jīng)比較成熟，常用的測(cè) 試方法有壓痕法（IM)，H點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)（S巧，緊湊拉伸實(shí)驗(yàn)（CT)，并且有了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于巖 石、混凝±等材料，許多學(xué)者進(jìn)行了有益的嘗試，也取得了很多有價(jià)值的成果。隨著斷裂力 學(xué)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，在考慮材料的強(qiáng)度時(shí)需要考慮材料的動(dòng)態(tài)斷裂參數(shù)。由于動(dòng)態(tài) 問(wèn)題需要考慮材料的慣性，求解斷裂動(dòng)力學(xué)問(wèn)題極其困難，迄今尚無(wú)成熟的解決方法，目前 得到的有意義的理論解不多。有許多學(xué)者使用數(shù)值方法進(jìn)行分析，在快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技 術(shù)的輔助下解決了許多困難問(wèn)題，發(fā)展和建立了很多有效的斷裂準(zhǔn)則。
[0005] 與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)工作也在積極開(kāi)展，發(fā)展了一些新的實(shí)驗(yàn)方法，例如光學(xué)方法即焦 散法等等。測(cè)定材料的動(dòng)態(tài)斷裂初性是該些實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要目的。目前，應(yīng)用最廣泛的測(cè) 試方法是化arpy沖擊試驗(yàn)，使用的試驗(yàn)設(shè)備是擺鍵和落重式試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)的材料與試驗(yàn)協(xié) 會(huì)（ASTM)和歐洲的結(jié)構(gòu)完整性協(xié)會(huì)巧SI巧都提出了推薦標(biāo)準(zhǔn)。該種方法簡(jiǎn)單易行，花費(fèi) 少，適用于工程應(yīng)用。主要缺點(diǎn)是加載速率不能太高，不能達(dá)到爆炸載荷的加載速率，同時(shí) 試樣難滿足平面應(yīng)變條件，確定載荷時(shí)易引起較大誤差且采用準(zhǔn)靜態(tài)理論來(lái)計(jì)算材料的動(dòng) 態(tài)斷裂初性，有時(shí)不能準(zhǔn)確反映材料的真實(shí)行為。為了克服化arpy沖擊試驗(yàn)的缺點(diǎn)，人們 又發(fā)展了化Pkinson壓桿加載技術(shù)。該加載技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于高應(yīng)變率下，材料動(dòng)態(tài) 本構(gòu)關(guān)系及動(dòng)態(tài)性能參數(shù)測(cè)定的裝置。目前，應(yīng)用H點(diǎn)彎曲測(cè)試材料動(dòng)態(tài)斷裂初性的工作 進(jìn)行較多，資料也比較豐富，而利用緊湊拉伸試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試的工作較少。
[0006] 雖然利用霍普金斯壓桿沖擊實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試巖石的動(dòng)態(tài)斷裂初度方法已取得了一些 進(jìn)展，但是其沖擊動(dòng)載荷與爆炸動(dòng)載荷是有一定的區(qū)別。所W研究在爆炸動(dòng)載荷下巖石的 動(dòng)態(tài)斷裂特性應(yīng)更有現(xiàn)實(shí)意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種爆炸載荷下I型裂紋動(dòng)態(tài)斷裂初度測(cè)試方法， 旨在解決現(xiàn)有的技術(shù)，化a巧y沖擊試驗(yàn)和化pkinson壓桿沖擊己西圓盤試驗(yàn)，缺少研究在 爆炸動(dòng)載荷下巖石的動(dòng)態(tài)斷裂特性方法的問(wèn)題。
[0008] 本發(fā)明實(shí)施例是該樣實(shí)現(xiàn)的，一種爆炸載荷下I型裂紋動(dòng)態(tài)斷裂初度測(cè)試方法， 該爆炸載荷下I型裂紋動(dòng)態(tài)斷裂初度測(cè)試方法利用帶裂紋及炮孔的矩形板試樣，通過(guò)炮孔 放置雷管，并使其爆炸產(chǎn)生壓力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)試樣的沖擊加載，將測(cè)得的應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換為壓力 值，代入有限元程序，使用位移外推法計(jì)算試樣的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子，再根據(jù)裂紋起裂時(shí)刻 確定動(dòng)態(tài)斷裂初度。
[0009] 進(jìn)一步，該爆炸載荷下I型裂紋動(dòng)態(tài)斷裂初度測(cè)試方法包括W下步驟：
[0010] 第一步，采用矩形板狀試樣，由水泥砂漿制成，r為炮孔半徑，炮孔中也處放置雷 管，配合比為；水泥；沙=1 ;3 ;試樣尺寸為；a= 100mm，W= 200mm，H= 120mm，WL= 250mm， r= 20mm，試件厚度B= 80mm，水泥砂漿試樣的彈性模量E= 32GPa，泊松比V= 0 ;15,密 度P= 1900kg/m3抗拉強(qiáng)度Ot= 3. 87MPa;反射波到達(dá)裂紋尖端需要的時(shí)間為119yS;
[0011] 第二步，采用雷管進(jìn)行爆破，雷管放置在炮孔中也，使用實(shí)驗(yàn)室的D冊(cè)939高速數(shù) 據(jù)采集記錄儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣頻率為lOMHz，斷裂的時(shí)間通過(guò)試樣裂尖處應(yīng)變片記錄的 應(yīng)變信號(hào)來(lái)確定，具體原理為，裂紋擴(kuò)展時(shí)會(huì)在裂尖附近引起卸載效應(yīng)，在試樣開(kāi)裂前應(yīng)變 增大，在開(kāi)裂后應(yīng)變減小，由此在應(yīng)變曲線上會(huì)形成一個(gè)峰值點(diǎn)，該峰值點(diǎn)即為起裂點(diǎn)，緊 湊拉伸試樣±25°角最佳的貼片范圍；
[0012] 在炮孔周邊粘貼應(yīng)變片來(lái)分別測(cè)試沿炮孔徑向和環(huán)向應(yīng)變值，第一應(yīng)變片1測(cè)試 徑向應(yīng)變，而第二應(yīng)變片測(cè)試沿炮孔環(huán)向應(yīng)變；
[0013] 記第一應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變?yōu)镋i,第二應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)椤?,第H應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)?￡3。炮孔周邊測(cè)得的應(yīng)變和E 2,W第H應(yīng)變片上應(yīng)變信號(hào)的峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻作為試 樣的起裂時(shí)刻t。^，減去試樣開(kāi)始受到載荷作用的時(shí)刻得到試樣的起裂時(shí)間tf。
[0014] 本發(fā)明提供的爆炸載荷下I型裂紋動(dòng)態(tài)斷裂初度測(cè)試方法，利用雷管和帶裂紋的 水泥砂漿試樣進(jìn)行了爆破試驗(yàn)研究，采用實(shí)驗(yàn)-數(shù)值方法確定試樣的動(dòng)態(tài)斷裂初度，通過(guò) 試驗(yàn)得到的應(yīng)變信號(hào)來(lái)確定試樣承受的荷載及裂紋起裂的時(shí)間，將得到的時(shí)程曲線輸入有 限元程序Ansys,利用1/4節(jié)點(diǎn)單元計(jì)算裂尖的近場(chǎng)位移，進(jìn)而使用位移外推法求得試樣I 型動(dòng)態(tài)斷裂應(yīng)力強(qiáng)度因子的時(shí)程曲線，裂紋起裂時(shí)刻對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子值即為材料的動(dòng) 態(tài)斷裂初度，從而給出了在爆炸載荷下I型裂紋的動(dòng)態(tài)斷裂初度測(cè)試新方法。本發(fā)明的方 法簡(jiǎn)單，操作方便，對(duì)研究在爆炸動(dòng)載荷下巖石的動(dòng)態(tài)斷裂特性應(yīng)更有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的爆炸載荷下I型裂紋動(dòng)態(tài)斷裂初度測(cè)試方法流程圖；
[0016] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的帶裂紋的試件及炸藥示意圖；
[0017] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的裂尖附近的最佳貼片位置示意圖；
[0018] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的應(yīng)變片貼片位置示意圖；
[0019] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的應(yīng)變片1和應(yīng)變片2測(cè)得的應(yīng)變值示意圖；
[0020] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的裂尖處應(yīng)變片3測(cè)得的應(yīng)變和起裂時(shí)間tf示意圖；
[0021] 圖7是本發(fā)明實(shí)施例提供的作用于炮孔的壓應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線示意圖；
[0022] 圖8是本發(fā)明實(shí)施例提供的裂紋尖端坐標(biāo)及1/4節(jié)點(diǎn)奇異單元示意圖；
[0023]圖9是本發(fā)明實(shí)施例提供的試樣的有限元模型及加載情況示意圖；
[0024]圖10是本發(fā)明實(shí)施例提供的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)程曲線示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明 進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并不用于 限定本發(fā)明。
[0026] 下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步描述。
[0027] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的爆炸載荷下I型裂紋動(dòng)態(tài)斷裂初度測(cè)試方法包括W 下步驟：
[0028] SlOl ;利用帶裂紋及炮孔的矩形板試樣，通過(guò)炮孔放置雷管，并使其爆炸產(chǎn)生壓 力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)試樣的沖擊加載；
[0029]S102;將測(cè)得的應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換為壓力值，代入有限元程序，使用位移外推法計(jì)算試 樣的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子，再根據(jù)裂紋起裂時(shí)刻確定動(dòng)態(tài)斷裂初度。
[0030] 本發(fā)明實(shí)施例的爆炸載荷下I型裂紋動(dòng)態(tài)斷裂初度測(cè)試方法，其特征在于，該爆 炸載荷下I型裂紋動(dòng)態(tài)斷裂初度測(cè)試方法利用帶裂紋及炮孔的矩形板試樣，通過(guò)炮孔放置 雷管，并使爆炸產(chǎn)生壓力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)試樣的沖擊加載，將測(cè)得的應(yīng)變信號(hào)通過(guò)平面應(yīng)力問(wèn)題

【權(quán)利要求】
1. 一種爆炸載荷下I型裂紋動(dòng)態(tài)斷裂韌度測(cè)試方法，其特征在于，該爆炸載荷 下I型裂紋動(dòng)態(tài)斷裂韌度測(cè)試方法利用帶裂紋及炮孔的矩形板試樣，通過(guò)炮孔放置雷 管，并使爆炸產(chǎn)生壓力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)試樣的沖擊加載，將測(cè)得的應(yīng)變信號(hào)通過(guò)平面應(yīng)力問(wèn) I
檔，兩列，一列為時(shí)間，一列為對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值，得到壓力時(shí)程曲線，代入有限元程序，在建 立模型后，在炮孔表面添加邊界條件，將上面的壓力時(shí)程曲線作為荷載添加，使用位移 外推法計(jì)算試樣的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子，即根據(jù)I型裂紋近場(chǎng)的位移與應(yīng)力強(qiáng)度因子的
進(jìn)而通過(guò)上述公式得到應(yīng)力強(qiáng)度因子與時(shí)間的曲線；再根據(jù)裂紋起裂時(shí)刻確定動(dòng)態(tài)斷裂韌 度。
2. 如權(quán)利要求1所述的爆炸載荷下I型裂紋動(dòng)態(tài)斷裂韌度測(cè)試方法，其特征在于，該爆 炸載荷下I型裂紋動(dòng)態(tài)斷裂韌度測(cè)試方法包括以下步驟： 第一步，采用矩形板狀試樣，由水泥砂漿制成，r為炮孔半徑，炮孔中心處放置雷管，配 合比為：水泥：沙=1 :3 ;試樣尺寸為：a = 100mm，W = 200mm，H = 120mm, Wl = 250mm，r = 20mm，試件厚度B = 80mm，水泥砂漿試樣的彈性模量E = 32GPa，泊松比v = 0 ;15,密度P =1900kg/m3抗拉強(qiáng)度〇 t = 3. 87MPa ;反射波到達(dá)裂紋尖端需要的時(shí)間為119 ii s ; 第二步，采用雷管進(jìn)行爆破，雷管放置在炮孔中心，使用實(shí)驗(yàn)室的DH5939高速數(shù)據(jù)采 集記錄儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣頻率為10MHz，斷裂的時(shí)間通過(guò)試樣裂尖處應(yīng)變片記錄的應(yīng) 變信號(hào)來(lái)確定，具體原理為，裂紋擴(kuò)展時(shí)會(huì)在裂尖附近引起卸載效應(yīng)，在試樣開(kāi)裂前應(yīng)變?cè)?大，在開(kāi)裂后應(yīng)變減小，由此在應(yīng)變曲線上會(huì)形成一個(gè)峰值點(diǎn)，該峰值點(diǎn)即為起裂點(diǎn)，緊湊 拉伸試樣±25°角最佳的貼片范圍； 在炮孔周邊粘貼應(yīng)變片來(lái)分別測(cè)試沿炮孔徑向和環(huán)向應(yīng)變值，第一應(yīng)變片1測(cè)試徑向 應(yīng)變，而第二應(yīng)變片測(cè)試沿炮孔環(huán)向應(yīng)變； 記第一應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變?yōu)镾1，第二應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)閑2，第三應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)閑3， 炮孔周邊測(cè)得的應(yīng)變^和e2，以第三應(yīng)變片上應(yīng)變信號(hào)的峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻作為試樣的 起裂時(shí)刻tmd，減去試樣開(kāi)始受到載荷作用的時(shí)刻tstart，得到試樣的起裂時(shí)間tf，根據(jù)壓力 與應(yīng)變^和e2的關(guān)系，計(jì)算壓力與時(shí)間曲線，建立有限元模型，將壓力時(shí)間曲線作為荷載 輸入，得到位移時(shí)間曲線，進(jìn)而得到應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)間曲線，根據(jù)tf確定斷裂韌度。
【文檔編號(hào)】G01N3/313GK104359776SQ201410643358
【公開(kāi)日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】朱哲明, 徐文濤, 肖定軍 申請(qǐng)人:四川大學(xué)