羅裕繁，宮能平，高遠(yuǎn)（安徽理工大學(xué)應(yīng)用力學(xué)研究所，安徽淮南 232001）

采用CCCD-SHPB試驗系統(tǒng)確定巖石的動態(tài)斷裂韌度

羅裕繁，宮能平，高遠(yuǎn)
（安徽理工大學(xué)應(yīng)用力學(xué)研究所，安徽淮南 232001）

鑒于目前巖石動態(tài)斷裂韌度在研究方法上沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有必要對其進(jìn)行研究。使用花崗巖制作中心裂紋圓盤試件，預(yù)制裂紋的寬度控制在1mm左右，在SHPB試驗系統(tǒng)下進(jìn)行動態(tài)沖擊，得出試件兩端的平均載荷帶入到推廣的中心裂紋圓盤試件應(yīng)力強度因子計算公式算出動態(tài)斷裂韌度。

花崗巖；中心裂紋圓盤試件；動態(tài)斷裂韌度；霍普金森桿

1 引言

裂紋在瞬態(tài)沖擊載荷作用下的起始與擴展是斷裂力學(xué)研究的基本問題，但是目前的動態(tài)斷裂韌度的測試與表征大多都集中在金屬材料，然而在礦產(chǎn)資源的開采過程中不可避免地涉及到巖石類材料。所以研究巖石的動態(tài)破壞機理變得至關(guān)重要。在分析動態(tài)破壞機理的相關(guān)問題時，巖石的動態(tài)斷裂韌度是一個非常重要的參數(shù)。但鑒于動態(tài)研究的復(fù)雜性，巖石類材料在動態(tài)斷裂韌度的研究方法上一直也沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)情況下不同的測試方法所得到的實驗結(jié)果相差較大，為了能夠建立可靠的測試方法就必須做出大量的研究工作[1]。

中心裂紋圓盤（Central Cracked Circular Disk，簡稱CCCD）試件相比其他試件具有很多的優(yōu)越性，它可以改變加載方向與裂紋面的夾角（加載角θ）來方便地實現(xiàn)純Ⅰ型、純Ⅱ型以及復(fù)合型加載，而且其斷裂韌度也存在著解析解[2]。因此，中心裂紋圓盤試件被許多學(xué)者應(yīng)用到動態(tài)斷裂試驗中。本文用帶有平臺的中心裂紋圓盤試件在SHPB系統(tǒng)上進(jìn)行沖擊試驗來研究巖石動態(tài)斷裂機理。

2 花崗巖動態(tài)斷裂韌度的試驗

2.1 花崗巖試件的制備

試驗所用花崗巖來自于福建安溪，學(xué)名安溪紅。試件的加工首先在安徽理工大學(xué)機械學(xué)院的高壓水射流實驗室進(jìn)行切割，由高壓水射流切割出直徑50mm，厚度13mm，裂紋長度23mm的中心裂紋圓盤試件。之后對試件進(jìn)行削邊處理，使裂紋兩端呈平臺狀。最后使用金剛絲將試件兩端的裂紋鋸至25mm。試件加工前后如圖1。

圖1 中心裂紋圓盤試件

2.2 SHPB系統(tǒng)的動態(tài)沖擊原理

SHPB試驗系統(tǒng)中，子彈撞擊入射桿產(chǎn)生一壓縮方波脈沖形成入射波，當(dāng)入射波傳至入射桿與試件接觸處時，由于試件與桿的波阻抗不同，一部分反射回來形成反射波，另一部分經(jīng)過試件透射到透射桿中形成透射波。我們則通過貼在入射桿和透射桿上的兩組應(yīng)變片捕捉到入射波、反射波和透射波，并將應(yīng)變片上的信號經(jīng)過動態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行放大后由示波器讀出。

試驗過程中為了盡量減少不必要的約束對試件內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)的影響，試件的加載方式采用夾緊入射桿和透射桿的方法來固定試件，同時為了減小摩擦力的作用，在試樣與桿端面的接觸處涂抹凡士林。為了濾去高頻振蕩，減少彌散效應(yīng)，在入射桿與炮彈撞擊端處粘貼兩片硬塑膠薄膜并涂以凡士林作為波形整形器。

2.3 載荷與動態(tài)斷裂韌度的計算

SHPB試驗系統(tǒng)中可以得出試件左端面的入射應(yīng)變信號εi（t）、反射應(yīng)變信號εr（t）和試件右端面的透射應(yīng)變信號εt（t）[3，4]進(jìn)而得到試件左端面的載荷PL（t）、右端面的載荷PR（t）以及平均載荷。

即：PL（t）=EA［ εi（t）+εr（t ）］

其中E為桿件的彈性模量，A為桿件的橫截面面積，p（t）為試件兩端的平均載荷。

本文采用推廣的中心裂紋圓盤試件應(yīng)力強度因子計算公式來確定動態(tài)斷裂韌度K1d。推廣的中心裂紋圓盤試件應(yīng)力強度因子計算公式為：

式中B為試件厚度，R為試件半徑，a為試件的裂紋半長，F(xiàn)1為I型無量綱應(yīng)力強度應(yīng)子。本實驗中當(dāng)α=a =0.5時，F(xiàn)1=1.3844。

R

3 試驗結(jié)果與分析

整個實驗是在安徽理工大學(xué)沖擊動力學(xué)實驗室的分離式霍布金森壓桿上進(jìn)行。入射桿與透射桿長為2000mm，直徑為37mm，彈性模量為70GPa，桿質(zhì)為鋁桿，密度為2700kg/m3。子彈為長400mm的圓柱型鋁制桿，直徑為37mm。并在入射桿和透射桿的中間1000mm處粘貼應(yīng)變片。實驗中桿的加載信號通過粘貼的應(yīng)變片組由超動態(tài)應(yīng)變儀轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栍墒静ㄆ髦苯幼x出。圖2為試驗系統(tǒng)實物圖。

圖2 試驗系統(tǒng)

3.1 試驗結(jié)果

本次試驗主要是對炮彈出膛壓力為0.1MPa下的動態(tài)斷裂進(jìn)行研究，考慮到動態(tài)試驗的不穩(wěn)定性，試驗采用5組試件測試花崗巖的動態(tài)斷裂韌度。為方便分析以試件A-1為例進(jìn)行研究。試件的入射波、反射波及透射波的波形如圖3所示。

圖3 原始測試信號

為了得到試件兩端平均載荷，對試驗獲得的入射波、反射波和透射波按照一維應(yīng)力波理論處理后得到試件兩端平均載荷[5，6]，經(jīng)過光滑處理的試件兩端平均載荷和時間關(guān)系如圖4所示：

圖4 P-t載荷曲線

將Pmax帶入上述公式（2）中得到試件的動態(tài)斷裂韌度，如下表：

表1 試驗結(jié)果

3.2試驗分析

從測試結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)，動態(tài)斷裂韌度KdI是具有一定的分散性的，這主要由以下三個方面影響：（1）試驗系統(tǒng)自身的誤差；（2）試件材料的影響，花崗巖類材料自身的礦物顆粒以及發(fā)育的微裂隙在動態(tài)載荷下變得更加敏感，這勢必對測試的結(jié)果有著一定的影響；（3）試件加工過程中對于平臺和裂紋的誤差控制。

4 結(jié)論

本文介紹了在CCCD-SHPB試驗系統(tǒng)下進(jìn)行動態(tài)斷裂韌度測試的一種新方法。在0.1MPa下進(jìn)行沖擊得到花崗巖的動態(tài)斷裂韌度均值為7.24MPa·m1/2。

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[2]董世明，汪洋，夏源明.中心裂紋圓盤集中載荷作用下的應(yīng)力強度應(yīng)子[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2003，33（3）：310-317

[3]LiZH，LambrosJohn.Determinationofthe dynamic response of brittle composite by the use of the split hopkinson pressure bar[J].Composite Sci Tech，1999，（59）：1097-1107

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[5]李夕兵，劉德順.巖石沖擊動力學(xué)[M].長沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社，1994

[6]宋力，胡時勝.SHPB數(shù)據(jù)處理中的二波法與三波法[J].爆炸與沖擊，2005，25（4）：368-373

Method for determination of dynamic fracture toughness of rock using CCCD-SHPB test system

LUO Yu-fang，GONG Neng-ping，GAO Yuan

There is no uniform standard for the methods of studying Dynamic fracture toughness of rock at present.Therefore it is necessary to make some research on the subject.By using granite to make the central cracked circular disk specimen，controlling the pre-crack width of about 1mm，and making a dynamic impact under the SHPB test system，we get the average loading curves at the both ends of the specimen.Using this data to the calculation formula of promoted central cracked circle disk specimen stress intensity factors，we can calculate the dynamic fracture toughness.

granite；the central cracked circular disk specimen；dynamic fracture toughness；SHPB

O39

A

1009-9530（2012）03-0021-03

2012-01-06

國家自然科研?

項目（50874004）

羅裕繁（1987-），男，安徽理工大學(xué)應(yīng)用力學(xué)研究所碩士研究生，主要研究方向：巖石動態(tài)斷裂。宮能平（1964-），男，安徽理工大學(xué)教授，博士，從事材料動力學(xué)研究。