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岩石动态断裂韧度温度相关性的实验研究

作　者: 陈明飞
导　师: 宫能平
学　校: 安徽理工大学
专　业: 工程力学
关键词: 断裂韧度巴西圆盘 SHPB系统温度
分类号: TU45
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

岩石的动态断裂性能与加载条件、环境温度密切相关。工程实践中岩石类材料环境温度不同,呈现的断裂破坏往往也各异,因此,深入研究温度对岩石类材料动态力学性能的影响,探索岩石在不同温度下的动态断裂韧度,对结构的安全设计,防止岩石断裂、破碎、滑移、流变、爆裂等破坏性事故的发生具有重要的理论和实践意义。根据Central Cracked Circular Disk-Split Hopkinson Pressure Bar (CCCD-SHPB)测试原理,采用平台巴西圆盘开展温度对岩石类材料动态断裂性能影响的实验研究,实验过程中通过控制加载脉冲幅值,使得所有测试试件的加载速率基本一致,仅改变试件测试的环境温度,实现了岩石类材料在同一加载速率、不同温度下的动态断裂实验,进而开展岩石材料动态断裂韧度的温度相关性研究。通过推广准静态条件下中心裂纹圆盘试件应力强度因子公式,获得中心裂纹圆盘试件的动态应力强度因子计算表达式,以试件两端平均载荷的最大值P max所对应的时间为裂纹起裂时间,将P max代入动态应力强度因子公式计算动态断裂韧度KId。测试结果表明,温度处于10-100。C时,动态断裂韧度KId随着温度的升高而逐步下降,近似呈线性关系。利用ABAQUS有限元分析软件,以实测的载荷作为模拟载荷建立动态有限元分析模型,求解中心裂纹圆盘试件动态应力强度因子的近场解和远场解。结果表明试件的远场解和裂纹尖端处的近场解比较吻合,从而验证了依据推广后的中心裂纹园盘试件动态应力强度因子公式计算岩石动态断裂韧度的可靠性。本文研究的岩石试件分别采用黑色花岗岩和白色花岗岩二种材料。对于黑色花岗岩材料的试验研究和有限元分析结果表明：加载速率为139250(Mpa·m1/2s-1)左右、环境温度处于10-100。C区间时,断裂韧度KId随着温度的升高逐步降低,从8.0(Mpa·m1/2)近似线性下降至6.5(Mpa·m1/2);对于白色花岗岩材料的试验研究和有限元分析结果表明：在加载速率为101144(Mpa·m1/2s-1)左右、环境温度处于10-100。C时,断裂韧度KId也是随着温度的升高逐步降低,即从5.7(Mpa·m1/2)近似线性下降至4.5(Mpa·m1/2)。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-23
  1.1 引言  11-12
  1.2 课题的研究意义  12
  1.3 课题的研究现状  12-14
  1.4 断裂力学的基本原理  14-23
    1.4.1 应力强度因子  14-16
    1.4.2 能量释放率  16-17
    1.4.3 脆性断裂  17-18
    1.4.4 扩展有限元(XFEM)理论  18-19
    1.4.5 中心裂纹圆盘试件的应力强度因子完整解  19-23
2 SHPB试验系统  23-29
  2.1 测试原理与实验技术  23
  2.2 SHPB试验装置的研究现状  23-24
  2.3 SHPB技术上的主要问题  24-26
    2.3.1 应力不均匀问题  24
    2.3.2 大直径压杆的弥散问题  24-25
    2.3.3 实验数据处理问题  25-26
  2.4 基本方程  26-29
3 实验研究  29-55
  3.1 系统的简单介绍和调整  29-33
    3.1.1 系统的简单介绍  29-31
    3.1.2 应变片的选取和粘帖  31-32
    3.1.3 平台的调整  32
    3.1.4 本次实验示波器的主要设置  32-33
  3.2 系统可靠性的测试分析  33-35
  3.3 波形整型器的分析选择  35-37
  3.4 点动开关测试分析  37-40
  3.5 数据处理  40-42
    3.5.1 数值换算及公式简化  40-42
    3.5.2 波头的选取  42
  3.6 实验过程及结果讨论  42-55
    3.6.1 试件的制备  42-44
    3.6.2 试件的温度处理及其他实验条件  44-45
    3.6.3 白色花岗岩第一批次实验结果及讨论  45-47
    3.6.4 白色花岗岩第二批次实验结果及讨论  47-48
    3.6.5 黑色大理石实验结果及讨论  48-53
    3.6.6 整个实验结果的讨论  53-55
4 实验的数值模拟  55-63
  4.1 弹性应变模拟  55-60
    4.1.1 数值分析中模型尺寸、属性的确定  55-56
    4.1.2 模型的网格划分及载荷施加  56-58
    4.1.3 应力平衡问题分析及断裂韧度的远近场解  58-60
  4.2 压杆应力波形弥散性的有限元数值分析  60-63
5 结论和展望  63-65
  结论  63-64
  展望  64-65
参考文献  65-69
致谢  69-70
作者简介及读研期间主要科研成果  70

岩石动态断裂韧度温度相关性的实验研究

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