SeriesNo.406

April 2010

金 属 矿 山 总第406期

METALMINE

2010年第4期

平台CCNBD-SHPB动态断裂韧性试验方法研究

满 轲

1,2

*

周宏伟 谢敬礼

11

(1.中国矿业大学(北京);2.瑞士洛桑联邦理工大学)

摘 要 根据CCNBD(CrackedChevronNotchedBrazilianDisc)试件断裂韧性测试方法和分离式Hopkinson压杆(SHPB)的基本原理,研究了平台CCNBD-SHPB系统进行动态断裂韧性测试的方法。探讨了动态力平衡对满足SHPB的应力均匀化以及试验数据处理的重要性;推广了准静态的应力强度因子计算公式,将试件在动态力平衡状态下的最大载荷代入公式,从而得到动态断裂韧性。通过试验对理论进行了验证,结果显示基于平台CCNBD-SHPB的动态断裂韧性测试是准确的。

关键词 CCNBD-SHPB 动态断裂韧性 应力强度因子 动态力平衡

TestingMethodofDynamicFractureToughnessbyFlattenedCCNBD SHPB

ManKe ZhouHongwei XieJingli

1,2

1

1

(1.ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing;2.SwissFederalInstituteofTechnologyLausanne(EPFL))Abstract BasedonthefracturetoughnesstestingmethodonCCNBDspecimenandtheprincipleofSHPB,anewtes tingresearchforthedynamicfracturetoughnesswithflattenedCCNBD SHPBwascarriedout.TheimportanceofmakingthedynamicforcebalancesatisfythestressuniformityofSHPBandthetestsdataprocesswasdiscussed.Itextendedtheequa tionofquasi staticstressintensityfactorfordynamicfracturetoughnesscalculation.Then,themaximumloadunderthebal anceddynamicforcewassubstitutingintotheequationtogetthevalueofthedynamicfracturetoughness.Testsverifiedtheproposedmethodintheory,anditshowedthatthistestingbasedonflattenedCCNBD SHPBwaseffective.

Keywords CCNB SHPB,Dynamicfracturetoughness,Stressintensityfactor,Dynamicforcebalance

ISRM(InternationalSocietyforRockMechanics)于1995年推荐了第3种测试岩石类材料断裂韧性的方法,采用人字形切槽巴西圆盘型CCNBD(CrackedChevronNotchedBrazilianDisc)试件。由于能够方便地实现I型、II型及I+II型复合加载,可达到比较高的加载破坏力,以及得到的试验数据分布良好等诸多优点,使得这种新的测试断裂韧性的方法更加适合于实际需要

[2 4]

的应力代入ANSYS进行数值模拟,从而得到失稳时刻的动态断裂韧性。上述2种方法都是具有代表性的测试动态断裂韧性的测试手段,可以分别概括为试验方法和试验-数值方法。

本研究的基本思想是基于SHPB的应力均匀化原理,得到玄武岩试件所受的载荷;然后推广准静态应力强度因子公式;对断裂失稳判据采用的是最大载荷法,最后求得动态断裂韧性。并用试验加以比较验证。

[6 8]

。实际岩石工程中,

不仅受到静态载荷的作用,在冲击载荷下的作用也很常见,而岩石在冲击载荷作用下的力学响应往往与静态载荷下的响应有显著不同。因此研究岩石在动态载荷作用下的力学性能是十分必要的。岩石在中高应变率下的冲击载荷装置,比较有效的加载装置是SHPB(SplitHopkintonPressBar)。

目前,国内外学者已经开展了基于SHPB装置的动态断裂韧性测试。文献[4]采用带有预制裂纹的半圆形巴西圆盘进行冲击测试,认为试验过程中,试件所受到的最大荷载为动态断裂韧性的代入值;文献[5]采用中心圆孔裂缝平台圆盘,将试验得到

1 试验原理

1.1 CCNBD试件应力强度因子

CCNBD试件应力强度因子见图1。

*国家重点研究发展计划(973计划)项目(编号:2009CB724602),科技部国际科技合作项目(编号:2007DFB60100),国家自然科学基金项目(编号:50674092,50774076)。满 轲(1982

),男,中国矿业大学(北京)岩石力学与分形研究

所,瑞士洛桑联邦理工大学岩石力学实验室,博士研究生,100083北京市海淀区学院路。