含双空孔缺陷试件三点弯曲冲击试验

何松林, 范嘉宾, 严振湘, 尹芝足, 肖成龙,4*

(1.北京科技大学土木与资源工程学院, 北京 100083; 2.中铁建设集团有限公司, 北京 100040; 3.首钢矿业公司, 迁安 064400; 4.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室, 北京 100081)

岩体中存在的大量缺陷使其断裂性能在动态、静态两种不同载荷下存在明显的区别。在矿山现场中,存在大量的动态破坏情况,因此研究缺陷试件的动态断裂过程具有重要的意义[1-3]。

Kalthoff等[4]对焦散线方法在动态断裂力学领域的应用方法进行了研究。杨仁树等[5-6]、丁晨曦等[7]采用焦散线方法,研究不同角度的分支角裂纹以及不同空孔-裂纹偏置方式的材料在冲击荷载下的破坏。岳中文等[8]采用动态焦散线实验方法,对在冲击作用下的运动裂纹与不同预制缺陷裂纹倾角的作用机制进行了研究,分析了缺陷裂纹角度对其动态断裂过程的影响。骆浩浩等[9]采用霍普金森杆与动焦散试验系统,对含有圆形缺陷的半圆形试件在不同冲击荷载下的断裂特征进行了研究。Kobayashi等[10]研究获得了试件在动态剪切破坏过程中,裂纹扩展速度、动态能量释放率、裂纹尖端应力强度因子三者之间的关系。李清等[11]采用数字激光动态焦散线试验系统,对在冲击载荷作用下,含有相互垂直以及相互共线两种裂纹缺陷介质的动态断裂行为进行了研究,分析了在冲击荷载下两种裂纹的断裂形式。

许多学者对空孔缺陷不同偏置距离、空孔缺陷大小等因素进行了相应的分析,然而上述研究多针对单缺陷条件下的动态分析,对于多缺陷条件下的研究存在不足。因此现采用数字激光动态焦散线系统对含双空孔缺陷的有机玻璃板三点弯曲梁进行冲击断裂实验,分析研究双空孔缺陷下裂纹扩展的路径、尖端动态强度因子、扩展速度以及焦散斑的变化规律,为揭示多空孔缺陷材料在冲击荷载下的断裂机理提供借鉴。

1 实验原理

焦散线实验原理[12-14]为:材料在受到外力的作用下发生形变,试件的厚度、折射率发生改变,使得部分入射光在透过试件时发生偏转,在光承接平面上产生明显分界的明暗区域。通过测量运动裂纹尖端相关特征的尺寸并将所得数据代入式(1)[15],即可得到裂纹尖端的动态强度因子。

(1)

2 实验过程

2.1 试件参数

实验采用200 mm×50 mm×5 mm的PMMA有机玻璃板二次加工而成,实验设置A、B两组,A组不设置空孔,作为对照组。B组设置双空孔缺陷如图1所示,为实验组。B组试件制作方法为:用激光在有机玻璃板底部中间预制一段长度为5 mm的预制裂纹,并在试件中部预制两个半径为5 mm的空孔,空孔沿试件中心对称布置,P点为落锤冲击的冲击点。试件的动态力学参数[10]见表1。

表1 PMMA动态力学参数表Table 1 Dynamic mechanical parameters of PMMA

图1 试件模型示意图Fig.1 Schematic diagram of the specimen model

2.2 实验系统

试验采用数字激光高速摄影系统和落锤加载平台[16-17],激光器为固体绿色激光发生器,最大功率200 mW,实验时功率设置为50 mW。实验将激光发生器的绿色激光通过扩束镜后形成发散光束,使实验平面处于该平行光场之中,通过电脑控制高速摄影机拍摄,拍摄速度1×105帧/s,每10 μs记录下一张焦散线照片,并将有效实验数据储存在电脑中。加载设备为落锤加载平台,通过落锤的自由下落对试件进行动态冲击加载,落锤质量1.5 kg,下落高度0.5 m。每次下落高度相同,保证每次加载的冲击速度,冲击荷载相同。

3 试验结果及分析

3.1 试件断裂和焦散斑变化分析

两组实验试件受到冲击荷载后,实验试件中的焦散斑以及裂纹扩展情况如图2所示。

图2 实验动态焦散斑图像Fig.2 Experimental dynamic focal speckle image

从图2中可以看到,当落锤与试件顶部接触时,试件上部与落锤接触位置出现一块亮斑,说明此刻开始受到落锤的冲击加载,并将此时刻记为零。此时,试件底部预制裂缝顶端开始出现圆形的暗斑,即为焦散斑。随着应力波在试件中的不断反射叠加,焦散斑逐渐扩大,达到试件的起裂韧度后,预制裂缝起裂,并向冲击接触点处延伸扩展。A组贯通裂纹称为A裂纹,B组贯通裂纹称为B裂纹。因试件较薄,可忽略其平面扰动因素,可以看到,A裂纹近似直线,B裂纹在预制空孔区域发生局部弯曲,说明空孔缺陷对裂纹有明显影响。起裂点与贯通点未发生明显错位。

对比图2(a)以及图2(b)可以看到,B组试件起裂时间明显晚于A组,说明试件内部的预制空孔缺陷会对应力波的传播造成影响,使得预制裂缝尖端能量积累速度减慢,起裂时间延后。B组实验中,由于空孔缺陷分布以及预制裂纹并不是绝对对称,使得裂纹扩展轨迹发生随机偏向。裂纹起裂之后,微微向左偏移并向顶部扩展,t=273.47 μs时,在裂纹运动至靠近预制空孔缺陷周围的阴影部分时,裂纹尖端焦散斑与两空孔接近的部分出现亮斑,同时空孔周围阴影形状发生改变,接近焦散斑的阴影部分向中部凹陷,向着两旁堆积,说明此时裂纹尖端集中的应力对空孔周边的应力分布造成了影响。t=286.81 μs时,裂纹进一步运动,由于裂纹运动轨迹偏左,进而裂纹尖端焦散斑开始与左空孔阴影部分融合,左空孔与焦散斑靠近部位的阴影区域面积变大。t=300.15 μs时,焦散斑基本保持Ⅰ形但直径减小,而远离焦散斑区域的阴影区域未发生明显变化。裂纹进一步扩展,裂纹尖端焦散斑开始变大,左空孔周围阴影面积逐渐减小,t=320.16 μs时,裂纹尖端焦散斑即将脱离左空孔阴影区域时,空孔周围的阴影区域可以看到明显的朝向裂纹尖端焦散斑的能量释放,焦散斑的面积增大。同时,右侧的预制空孔缺陷对裂纹尖端焦散斑有一个明显的吸引作用,裂纹尖端焦散斑向着右侧空孔有轻微凸起变形,尖端焦散斑运动朝向指向右上方,裂纹轨迹向右有些许偏移,随后焦散斑脱离预制空孔区域,裂纹贯穿试件。这种情况的出现说明空孔缺陷对周围裂纹的运动有一定的影响,会造成裂纹扩展路径的变化,使得局部路径朝着空孔方向偏移。

3.2 裂纹扩展速度变化规律

图3为两组实验试件在受到冲击荷载后,裂纹扩展速度的时程曲线。可以看出,双空孔对裂纹扩展速度以及扩展时间有明显的影响。A组试件在t=120.06 μs时起裂,t=306.82 μs时裂纹贯通试件,贯通时间为186.76 μs。B组试件在t=240.12 μs 时起裂,t=373.52 μs时裂纹贯通试件,贯通时间为133.4 μs。B组试件起裂时间晚于A组试件120.06 μs,但贯通时间早于A组55.36 μs,说明预制空孔缺陷会导致起裂时间延后,但会使得贯通时间缩短。

图3 试件裂纹扩展速度-时间曲线Fig.3 Crack propagation velocity-time curve of specimen

起裂后,两组试件裂纹扩展速度存在明显差异。A组试件起裂后,速度上升至299.5 m/s,随后在速度维持在249.6～399.4 m/s的范围内波动变化,在达到峰值速度399.4 m/s后,随着裂纹的扩展,去速度逐渐波动降低,直至裂纹贯通试件。B组试件起裂之后,速度呈上升趋势,快速升高,没有发生波动,在裂纹靠近预制空形缺陷区域时,裂纹速度达到峰值速度499.3 m/s。而在第一次达到峰值后,裂纹速度随即开始急速衰减,在裂纹达到预制空形缺陷中心区域时速度衰减至249.5 m/s,为峰值速度的一半。随后,速度再次攀升,在脱离预制空形缺陷区域时,再次达到峰值速度,随即速度再次降低,直至裂纹贯通试件。发生这种现象的原因为,空孔边缘处的应力反射波抑制了裂纹的扩展速度,随着裂纹与预制空孔缺陷距离的缩短,这种抑制程度愈加强烈,使得速度开始衰减。而随着裂纹与空孔缺陷距离的增加,反射波的抑制力减弱,速度开始攀升,又回到峰值。

3.3 动态应力强度因子分析

图4为A组试件裂纹扩展过程的应力强度因子随时间变化规律图。在落锤加载冲头与试件接触后,冲击荷载以应力波动场的方式进行加载,预制裂纹尖端应力强度因子不断提高,在尖端应力强度因子达到起裂前的最大值0.996 MN/m3/2时,试件起裂,在应力波动场的持续作用下,应力强度因子台阶上升至1.113 MN/m3/2,并随后在试件边缘反射应力波的叠加作用下,应力强度因子在 0.996～1.113 MN/m3/2内波动保持一段时间,之后随着裂纹的贯通应力强度因子逐渐降低。

图4 试件动态应力强度因子-时间曲线Fig.4 Dynamic stress intensity factor-time curve of specimen

B组试件应力强度因子整体呈增大后减小,再增大再减小,再增大再减小的变化情况。说明路径上的预制空孔缺陷对其应力强度因子的变化产生了很大影响。试件起裂前应力强度因子在应力波动场的作用下台阶上升至0.996 MN/m3/2并保持一段时间后,在空孔缺陷处反射的压缩应力波的作用下降低至0.785 MN/m3/2,随着压缩应力波被抵消,应力强度因子再次呈台阶式上升,并在t=240.12 μs 时达到1.238 MN/m3/2,随即裂纹起裂。起裂后,应力强度因子仍呈上升趋势。由于裂纹起裂晚,能量蓄积时间长,t=273.47 μs时,在裂纹靠近预制空孔缺陷的过程中,应力强度因子达到极大值1.662 MN/m3/2。随着裂纹逐渐到达预制空孔中部区域,在空孔缺陷边缘反射的压缩应力波的作用下,应力强度因子再次降低,由于距离较近,降低速度较上次显著增加,t=300.15 μs时,裂纹尖端达到预制空孔缺陷区域中部,应力强度因子降低至极小值0.382 MN/m3/2,之后裂纹逐渐远离预制空孔缺陷中部区域,在空孔缺陷边缘反射波的作用下,t=340.17 μs时,应力强度因子攀升至峰值1.821 MN/m3/2。受试件边缘反射应力波的影响,随着裂纹尖端靠近试件边缘,尖端的动态应力强度因子呈现出波动减小的状态,直至裂纹贯穿试件。

3.4 数值模拟验证

采用ABAQUS数值模拟软件,对含双空孔缺陷试件三点弯冲击试验进行了数值模拟。数值模拟模型尺寸与图2试件尺寸一致,材料参数如表1所示。数值模拟模型如图5所示,von Mises应力云图如图6所示,其中,a为裂缝长度与试件高度(50 mm)之比。

图5 数值模拟模型Fig.5 Numerical simulation model

图6 von Mises应力云图Fig.6 Von Mises stress nephogram

在冲击试验中,由于试件放置时人为存在的误差,导致落锤加载时加载点的偏移,故裂纹在起裂后并不是沿直线向上运动,所以裂纹在圆孔附近发生偏移。在数值模拟中,并不存在加载点偏移的情况,故裂纹扩展如图6所示呈直线向上传播。可以看出,裂纹在靠近空孔缺陷时,尖端应力区域明显缩小,此时裂纹尖端应力受到抑制而减小。随着裂纹继续向上延伸,在通过空孔缺陷后,此时裂隙尖端受到来自空孔缺陷上表面的反射波,裂纹尖端应力区域重新扩大,与试验结果一致。

4 结论

(1)空孔缺陷会吸引附近运动裂纹,使运动裂纹的轨迹在空孔缺陷附近呈现发生明显偏转。

(2)空孔缺陷使得起裂难度加大,含双空孔缺陷的试件起裂时应力强度因子为1.238 MN/m3/2,相较于无缺陷试件起裂时的应力强度因子 0.996 MN/m3/2,提高了24.29%。

(3)当裂纹靠近空孔缺陷时,缺陷对裂纹尖端的应力强度因子有抑制作用,强度因子从 1.662 MN/m3/2降低至0.382 MN/m3/2,降低76.7%。当裂纹穿过缺陷区域,远离空孔缺陷时,缺陷对裂纹尖端应力强度因子有促进作用,强度因子从0.382 MN/m3/2升高至1.821 MN/m3/2,升高79%,应力强度因子达到峰值。