用矩形双臂梁测定岩石动态断裂韧度冰

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第 5卷第 4期 20 0 7年 1 2月 17 - 5/ 0 7 0 (/ 7 - 6 26 3 20/ 54 3 68 5 )

动力学与控制学报J RNA F DYNAMI S AN C OU LO C D ONT ROL

V0 . . 1 5 No 4 De c.20 7 0

用矩形双臂梁测定岩石动态断裂韧度冰李战鲁王启智(. 1四川大学土木工程及应用力学系，成都 6 0 6 ) 2四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室， 10 5 ( .成都 6 06 ) 10 5

摘要

参考美国材料试验学会及国际岩石力学学会推荐的人字形切槽短棒试样.出适合于分离式霍普金提

森压杆高速加载测试岩石动态断裂韧度 K的矩形双臂梁 ( et g l obeB a R B)试样. R c nua D u l em-D a r 霍普金森入射杆高速撞击试样的切槽端面.使切槽前沿产生拉伸加载.录入射杆入射应力波和反射应力波及透射记

杆上的透射应力波的应变片电压变化信号 .同时在试样表面切槽顶点附近粘贴应变片以得到从试样开始受到载荷作用到裂纹起裂的时间.将入射波、反射波及透射波叠加得到试样载荷 .输入有限元计算模型.得到●

试样应力强度因子的时间历程.再通过试样的裂纹起裂时间 .得到岩石的动态起裂断裂韧度 .加载速率 K在 为 16 .8×1 a S。大理岩的动态断裂韧度 KI 2 a . 0 MP m。时. d .6MP m 为关键词动态断裂韧度，分离式霍普金森压杆，矩形双臂梁试样

引言随着分离式霍普金森压杆 ( pi H p isn sl o kno t

pesr a~H B技术发展 H j高速加载下岩石 rsuebrS P ) .动态断裂韧度的研究逐渐变得可行.国际岩石力学学会 (It n t n lSce o ok Mehnc n rai a oi yfrR c c a i e o t s一一

IR于 18 S M) 9 8年推荐测试岩石 I断裂韧度的两型种试样 l一字形切槽弯曲梁试样 ( hvo ed 6人] C ernBn Seie pc n)和短圆棒试样 (Sot o pc n) m hrR dSei me ( 1 a )后者在 18图 (). 99年也被美国材料试验学会( me c nS c t fr et ga dMa r l— S M) A r a oi y o sn n t a A T

i e T i e s i

推荐为测量金属材料平面应变断裂韧度的标准试样 J短圆棒试样后又被称为双臂圆粱 ( o n . Rud D ul Ba o be em)试样 .宗贤采用劈裂加载的形 张

式进行了短圆棒岩石动态断裂韧度的测试 ( 1图( )、 a sn和 Iga e l l改进了加载的方试 b ) H no n r fa9 o f]

使短棒试样适用于大尺寸试样断裂韧度的测试 (图1C ) ().图 2 ()S M矩形短棒试样[ ()形双臂梁试样 aA T’ b矩Fg2 f) S M etnua h Hbr p c n’ ()D pcm n i. a A T rc gl s0 a ei[ a r s me] bR B sei e

借鉴 A T提出作为’试金属材料平面应变断 SM狈 0裂韧度的另一种矩形截面短棒标准试样 (图 2见

() . a )为了使试样表面上粘贴应变片的信息能更 ]加真实地反映试样切槽裂纹前沿的状态 .放弃人字形切槽而采用贯穿的直切槽 .出矩形截面的双臂提梁试样 ( etnua o b em R B ( 2 b ) R c gl D ul B a— D )图 ( ) . a r e2 0 - -收到第 l, 0 - .收到修改稿. 0 7 20 0 8稿 2 7 92 0 0 0 国家自然科学基金L 0 70 5,国家重点实验室创新基金 ( 5 3 42 7 ) i 00 )

1实验过程 1 1试样制作 .

试样具体尺寸见图 3长度 (图 2中高度 ):既 w为 10nT厚度 B为 5m宽 2 1 UI . 0 m. H为 8m无量纲 0 m.

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的人射波与第一个反射波应波形大小完全相同.且

在试样上的载荷曲线 .2 2裂纹起裂时间确定 .

相位差为 2l 其中.为人射杆上应变片到入射 fc;/ z。杆加载端面 (- ) 11面的距离；当加人透射杆后 .由于入射杆与透射杆之间没

有试样而且人射杆和透射杆

的材料和横截面积完全一样.应力波可以完全遵照一

维波的传播理论.即人射波从入射杆直接传人透

射杆 .透射杆中的第一个透射波的波形大小应与人射杆中的人射波相同.其与人射波的相位差为 (并 Z十Z)c.:/且人射杆中没有反射波.中.:透射杆其 Z为上的应变片到透射杆加载端面 (- ) 22面的距离 .、 Z:见图 4图 5中( ) . a为没有透射杆时的系统第一个人射波和反射波波形 .b为含有透射杆时系统的第一 ()个人射波和相应的第一个透射波波形.l 2-

1 0 0

0

IR) I

2 00

3 0 0

40 0

Tme/I i l s

图 7试样上应变片点的拉伸应变时间历程F g 7 Te sl tan h so y o p cme i. n i sr i itr fs e i n e

8

一

芝≈ 0

§;B 4 0 - r {4

.

1 2-

图5 SP H B系统测试信号对比图Fi 5 T s in l o a io ft e S g. e t g a mp rs n o HPB s se s c h y t m

10 0

0

[0 0

20 0

30 0

40 0

T me, i

图 8试样应变片点的拉伸应变率时间历程

2实验数据处理2 1应力波波头及外载荷的确定 .珩

Fg 8 S r i ae h s r fg u e p i t o p cme i . tan r t it y o a g n s n s e i n o o

裂纹起裂时间 t的确定依赖试样切槽顶点感，受到拉伸应变信号的变化.仍先找出试样上应变片信号( )图7的波谷点 A应变值.因为试样切槽顶端

4帕 (

的应变梯度较大 .考虑到试样的脆性 .点 A值并取

兰3 0 0

l0: ol o0 o

18的 B点作为确定波头的关键点./在该关键点前后各取 l个点. 0计算出这 2个点的平均斜率值. 1作为该关键点的斜率 .做一直线相交于基准线点 C 处 . C即为试样应变片感受到外界载荷的起始点点.这样要比取 15点的波头有所提前 .能及时/更图 6应力波波头的确足

找到拉伸波头的起始点.而使裂纹起裂时间更加从趋近真实 .图 8可以看出.样切槽顶端附近的从试

Fg6 T epi

tu gdo aeicpin i. h o de f V net nj w o

参照文[7中的波形处理方法.于压杆上 1]对的信号( 6 .图 )先找出压杆上波的第一个波峰点E计算出 15波峰值点前沿点 F找出该前沿点前 ./ .

应变率变化总趋势为先增大.到达谷底.在谷底有瞬时震荡.再迅速上扬.裂纹扩展结束时间点也应依据应变变化率决定.由于本实验是在 S P H B的高速撞击下完成的.虑高速劈裂中试样的惯性效考

后附近各 l个点的斜率.出其平均斜率做为该 0求前沿点处的理论斜率 .作一直线交基线于点 G点 . G即为人射波的波头起点 .同理得到反射波透射波的波头位置点 .了消除在实验过程中的应力不均为

应.既在边切槽圆盘试样起裂过程中.试样的切槽顶端附近的应变不断增大.应变率也增大；但到边切槽试样起裂完成.裂纹高速向前扩展时.由于惯性效应此时试样切槽顶端附近的应变还要继续增

匀性的影响.依照公式 ( )将三者迭加. 4.得出施加

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的理论结果可以比较 .裂动态断裂韧度就是起起

拉压台阶过渡.整个压缩小区域只占整个区域的 15/. 且除去该区域.断裂韧带上又表现出明显的拉伸破坏.

裂时间 t s对应的动态应力强度因子 ()￡的值.2 4加载速率的计算 .

加载速率定义为裂纹尖端应力强度因子的时间变化率 ( . )试样从受到外界加载到试样裂纹起裂的裂纹起裂时间为￡试样的动态起裂断裂韧度为 .则实验的加载速率由下式得到：

莨：3实验结果分析3 1试样劈裂作用分析 .

() 8

图 1动态断裂韧带切槽顶端附近区域 1Fi . Dy a c f cu e a e l a" h r c r n ft e lg e t g 1 1 n mi r t r r a I lt e c a k fo to h ia n a e m

试样在高速加载下被劈裂成两半.型的试样典破坏模式见图 1 . 0

图 l动态断裂韧带尾部附近区域 2Fg 1 D n mi rcueae th alo h ia e t i. 2 y a cfa tr raa e ti f

te l m n t g

图 1试样的破坏模式()整， )裂， )裂面 0 a完 (破 b (断 c

Kg 1 ' eaueptr fpc e ait t b rkn()rc r a a .0 I flr ae o sei n()na, i oe, f te r ' i t n n m c(b c au e

我们还做了加载速度为 00r/ i .5 m rn的矩形双臂 a a

梁静态断裂测试特将动静态下试样断面的电镜扫描图做一比较. 1、图 11 2为采用 S P H B高速率加载下试样断面部分图.作为对比. 1、图 3 1静态加载下矩形双臂 4为梁试样断裂相应位置的断面图. l和 1为试样断裂图 1 3图 l静态断裂韧带切槽顶端附近区域 3F g 3 Sa i r cu e a e e rt e c a k fo to e l a n i .1 ttcfa t r a n a h r c r n f t i me t r h g

韧带的前部区域即切槽顶点线附近区域.图 l和图从 1

1中看出来. 3该区都有较大的域凹凸起伏.并伴有棱状突起蜂窝状花样突出.但图 1中的凹凸状况明显大于 1

图 1. 4即试样均表现出明显的拉伸断裂特征.但动态下的断裂面比静态下的断裂界面表现出更为粗糙；并且两者都有别于由剪切破坏面的明显特征 .表现出明显图 l静态断裂韧带尾部附近区域 4Fg 1 Sacf cueae th a ft g e t i.4 tt atr r aa t tl ela n i r e io h i m

的由于受到拉伸而破坏的特征.属于拉伸破坏区域 .3 2断裂韧度的计算结果 .图l 2和图 1 4为试样断裂韧带尾部即试样与后基座接触面附近区域.图 1从 2和图 1 4中可以看出.试样与后基座接触线棱边区域有明显的压缩破坏区域.且有明显

边切槽大理岩圆盘试样在不同加载率下的动态断裂韧度见表 2 .

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李战鲁等：矩形双臂梁测定岩石动态断裂韧度用

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表 2矩形双臂梁试样动态断裂韧度的计算结果Ta l Th ac ai n r s ls o d usn be 2 e c lulto e ut fKi i g RDB pe i n s c me

如”

4结论 在SP H B高速撞击试样切槽端面的作用下 .矩形双臂梁试样的切槽前沿产生拉伸加载断裂 .以可得

到 I (型张开型 )岩石动态断裂韧度 K . 1 图 5可

学，05, 0 4:8 5 4 H hsegT eapi t n 2 0 2 ( ) 5 9~ 9 ( uS i n . h pl ai h c od v l p n f e p r n a e h i u p i s n p e e e o me t o x e i me t t c n q e o Ho k n o r s l f

sr brJun lfEpr etl ca i,0 5 2 ( ) ue a.ora xei n h nc 20,0 4: o m a Me s 5 9~54 i C iee ) 8 9 (n hns )

2陈德兴，胡时胜，张守保，巫绪涛，泽清.余大尺寸 H p o. kno压杆及其应用. isn实验力学，0 5 2 ( ) 38— 0 20, 0 3:9 42( hnD x g H hseg Z agS obo WuX t, u C e ei, uS i n,h n h ua, ua Y n h oZe i g a g d me in q n .L r e i nso Ho k n o p e s r b r n i p i s n r s u e a a d t s

以看出：同种切槽深度比的试样动态断裂韧度的测试数据较为集中.随着切槽的加深 .动态断裂韧度没有明显的变化 .明本试样的测试是成功的 .说

api t n Jun l xe m na ca i,20,2 pl ai . ora Epr c o f o i tl e Meh n s 0 5 0 c

1 j。

,, -

( ) 3 8~ 0 (nC iee ) 3: 9 4 2 i h s) n

{

3陈大年，王涣然，建平，字颖，国庆.加载率陈俞刘高

J 1

』一：

SP H B试验分析原理的再研究 .程力学，0 5 2 ( )工 20,2 1:8 8 ( hnD na, n una, hnJ n i, u 2~ 7 C e ai WagH ar C e apn Y n n i gYuyn ig, L u Guo ng Re e a na in o pl pkns n i qi . x mi to f s i Ho i o t pr sur a n y i thg o d n a e . gie rn M e e s e b ra a ssa ih la i g r t En n e ig— l

L i. . . . . .

『二 二二

图 l加载速率和动态断裂韧度值 5 Fg 1 T elaigrt i.5 h dn

a o e霞adcr sodn au f n or p n igvleo e

ca i,0 5 2 ( ) 8 8 (nC iee ) hnc 20, 2 1:2~ 7 i hns ) s

4钟卫洲，罗景润，徐伟芳，历伦.三点弯曲试样动态郭应力强度因子计算研究.实验力学， 0 5 2 ( ) 6 1 2 0, 0 4: 0

参

考

文献

~

64( hn i o,L oJ g n u We ag u 0 Z o gWe hu u i r,X i n,G o z nu f

Li . A c mpu aina t y o d na c te s n e st l un o tto l sud n y mi sr s it n iy

1胡时胜 . o kno H p isn压杆实验技术的应用进展 .实验力

f tr re o tbnigsei n Jun l xe a o t e i edn pc c o h pn f me . ora Epr f o i

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m n l ca i, 05 0(:6 1~64 ( n C i e t h n s 2 0,2 4) 0 a Me c 0 i h— ns) ee )

1 L fh t,J .L b r 4 i i s z M e e,H.Daa p o e sn n te s l p t r s ig i h pi Ho - c t

kno rs r brt t It n t nl ra pc isnpes e a s u e s.n rai a￣u lo I at e o n f mE gne n 19, 3 2 ) 3 6 nier g, 4 3 ( 3:3 3~37 i 9 351 T d s o W .Ro s 5 e ec,J s,CA.B u ar rn i,RM.Nu r a i - me c smu illt n o ih sr i a e c n rt o rs in t ss C m- a i f h g tan r t o c e c mp s e t . o o e e o

5李伟，和平，谢王启智.大理岩动态拉伸强度及弹性模量的 SP H B实验研究.实验力学，0 5 2 2:0 20, 0( ) 20—26 0( i i XeH pn, n i i xe met td r L, i e i WagQz .E pr n l u yf We g h i as od n mi e sl te g h a d ea t d l s o r l - y a c t n i sr n t n lsi mo uu f ma be u e c

p t s S

utr,94 5 ( ) 6 7 u r& t cue 19, 1 1:5~ 7 e r s

s gS P . o ra Epr etl ca i, 0 5 0 i H B Jun lo xe m na h n s 20,2 n f i Me c ( ) 20— 0 (nC i s ) 2:0 26 i hn e ) e6 IR et gC m si co ia r O ctr n . . S M T sn o mi o i s n( or nt: uhel yF ) d o oS g e t d meh d f r e e mi i gmo elf c u et u h e s u g se t o t r nn d r t r o g n s o d a

1刘剑飞，胡时胜，王道荣.用于脆性材料的 H p isn 6 o k o n压杆动态实验新方法 .实验力学，0 1 1 ( ) 2 3~ 2 0,6 3:82 0 Uu J ne,H hs e g 9 ( i fi u S i n,Wa g D o n .A n v l a h n ar g o e oe p r na t o fHo k n o r su e b r s se fr x e me t meh d o p i s n p e s r a y tm i l o

o ok.nent n l ora okMe n s n n f c Itrai a un lfR c c i dMi R o J o a h ca—ig S i c s& G o c a i sr cs 9 8,2 7 n c ne e e me h n sAbta t,1 8 c 5: 1—9 6

b tem t a Jun l E pr na Meh n s 0 1 il rt a r 1 ora xe m tl ca i,20, e . i f o i e c1 ( )2 3~ 9 (nC iee ) 6 3:8 2 0 i hns)

7 A T ak G opE 4 0 .4 ( hi a:Bo n K . S M T s r 2 . 10 c a n rw R) u m r S n a et to rPaeSri( h v nN thd a t dr T s Me df l .t n C er - o e ) d h o n a o c

1刘德顺， 7李夕兵 .冲击机械系统动力学.北京：科学出版社，19:2“u D su,L ii .M ca i m 9 9 4 ( ehn i bn X g ehnc I - l ap c D nm c.B in:Si c rs,19:2 i C i at ya is e ig c nePes 9 9 4 (n h- j e n s) ee )1 Do o a 8 n

v n,J G. Ka fk s MG. Ad p ai n o s l ra i, a tt f a i e o mpw d e ts r t e r p d d tr ia in o d r cu e e g e tf h a i ee n t f mo e l f t r o m o a

Fat eTu ns f tl ti s( S M 3 ) rc r og es a i Ma r u h o Me lc e a A T E10, l 4Ame c n S cey fr T sig a d Mae a s h ld l h a i r a o it o e t n tr,P i e p i, n i l a1 9 98

8 Z ag Z .K u Q i g L .Ln qi, A fcs h, X o,S .J n, G idvs P .E et n a to a ig r t n r k f c u e rc u e c a a t r tc d fl d n ae o o r t r:fa t r h r ce sis a o c a i n

tu ns adteassm n o lt ef c r rs t c og es n ses et f e i at e eia e h h rav r u s n.

eeg ati igI e ai l ora ok ca i nryprt nn.n r t n un l R c h n s io t n o J a f o Me ca nn i e,0 0 3 ( )7 5~ 6 d n Mii S e s2 0, 7 5:4 7 2 gc n c9 Ha sn,J no H. Igafa n rf,AR. C mp eso o dn p l d e o rsin la iga pi et o n o b eb a f cu e s e i n .1 Ap l ain t o ru d d u l e m r t r p cme s: p i t o a c o

I e ai l ora o ca i n nn i t n o J n r t n un l R kMeh n sa Mii S - a f o c c d gc

ecs2 0, 14:5 7 1 ne,0 4 4 ( ) 69~ 0

1范天佑.用断裂动力学基础. 9应北京：北京理工大学出版社， 9 2 3 ( a i yu on ai f pl dFa- 19:5 F Ta o.F u dt no pi rc n n o A e tr D n i . B in:B in ntue o eh o g ue y a c m s ei j g e ig Istt fT cnl y j i oPes 9 2 3 (nC i s) r

s,19:5 i hn e ) e2 h u S T a s n ep n e o nt r c n a sr t 0 o . r i t s o s fa f i c a k i t p wi n e r i e i h

m t a i reC aatrt eg s￣u a o e a r l wt l g h rc i i L nt . r l Ts e s ha i e sc h n f—t n vla n2 0, ( ) 58—54 i a E a t,0 23 6:0 g n d ui o 0 11 Ha s n J 0 n o, H. I g a e, n r f a AR. o rs in la i g a p i d C mp e s o d n p l o et o n o b e b a fa t r p c me s I o r u d d u l e m rc u e s e i n .I:De v t n t i r ai o o

s s-e de Jun l A pi c n s 1 8,7 t s reegs. ora p ld Me i,9 0 4 e r f f o e a h c( ) 8 1~ 0 3:0 8 5

go t atrJun lo etg a vl t n 2 0 eme yfc . ora Tsn n Eau i, 02, r o f i d ao3 ( ) 55~ 2 0 6:1 53

2王桂尧， 1孙宗颀，徐纪成.岩石压剪断裂机理及强度准则的探讨 .岩土工程学报，9 6 1 ( ) 6 19,8 4:8~7 Wag 4( nGuy o, u o g i Xu Jc e g n e t ain o h o ia S n Z n q, i h n .I v si t ft e c m。 g op e so h a r cu e m e ha im d sr n t c tra i r s in s e rfa t r c ns a te gh r e n n i i

l沈明荣.体力学.海： l岩上同济大学出版社，99: 19 4( hnMig n. okMasM c ai .S aga: og S e nr g R s ehnc o c s h nh iT nj i U i ri rs.9 94 i hn s) n esyPes 19: v t 4(nC iee )

1谢和平， 2陈忠辉.岩石力学.北京：学出版社， 04科 20:lO X eH pn, h nZ ogu. ok M c ai . B i O ( i e i C e h n iR c ehnc g h s e—j gSinePes 2 0 10 i hns ) i:cec rs, 04

:0 (nC iee ) n1 F e 3 rw,DJ F rsa,MJ . oe t l .Ch n,W . A s l p i s n e p i Ho k n o tp e s r b r tc nq e t d t r i e o rs ie t s。 r su e a e h i u o ee n c mp e sv sr s m e sri d t r rc ma ei s .E p rme a c a i, tan aa f o k o tra l xe i n l Me h n s t c

r k C i s￣unlfGo cn a ni ei,96,8 o . h e r et hi l gn r g 19 1 c e n a o e c E e n( ) 6 7 (nC iee ) 4:8~ 4 i hns )

2张宗贤，洁.岩石动静态断裂面的微观特征 . 2俞中国有色金属学报，9 5 (: 1~2 Z agZ nx n Y 19,5 4) 2 4( h ogi, u n aJe i .Mir h r c e z t n o tt n y a c f cu e co c a a t r a i fsa i a d d n mi r tr i o c a

sr c n r k C i s uf e i o . h ee￣u a f N n r u ts a c n n r lo o er s Me l, f o a19, ( )2~ 4 i C iee ) 9 5 5 4:1 2 (n hns)

2 0, 14:0- 6 0 1 4 ( )4 4

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