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岩石类材料中心裂纹圆盘试件动态断裂韧性测试系统的动力学有限元分析及测试方法的研究

作　者: 崔智丽
导　师: 宫能平
学　校: 安徽理工大学
专　业: 工程力学
关键词: 岩石动态断裂韧度动态应力强度因子加载速率中心裂纹圆盘试件有限元分析
分类号: O346.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

岩石断裂韧度是岩石断裂力学中最为重要的参数和指标之一,它表征岩石材料抵抗裂纹扩展的能力。然而,由于受尺寸效应、温度效应、围压作用、加载速率等多种因素的制约,要准确获取岩石材料的动态断裂韧度值相当困难。因此,研究如何准确获取岩石断裂韧度值的测试技术和实验方法,一直是断裂力学工作者们共同努力的方向,也是实际工程中迫切需要解决的问题。随着加载速率不同,岩石裂纹的扩展机理也会发生变化,所以有必要深入研究岩石动态断裂韧性的加载速率相关性,掌握不同加载速率下的岩石动态力学性能,这对于动载下结构的安全设计和提高材料抵抗动态断裂的能力以防止工程中出现由于岩石断裂而造成灾难性事故的发生都具有非常重要的理论和实践意义。由于工程实践中最常见最危险的裂纹是纯Ⅰ型裂纹,为了确定合理的试验方案和合理的岩石试件尺寸,保证试验结果的可靠性,本文首先对纯Ⅰ型加载下的试验系统进行了三维动力学有限元分析。讨论了较大直径压杆对一维试验原理的影响以及对断裂试验的影响。本文以大理岩中心裂纹圆盘试件的纯Ⅰ型加载为例,采用CCCD-SHPB试验系统对岩石试件进行不同加载速率下的动态断裂试验,初步探讨了岩石类材料动态断裂韧性的加载速率相关性。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-12
1 绪论  12-22
  1.1 问题的提出  12-13
  1.2 动态断裂韧度测试的研究现状及存在问题  13-15
  1.3 中心裂纹圆盘动态断裂试验技术  15-18
    1.3.1 中心裂纹圆盘试件静态断裂试验现状  15-17
    1.3.2 中心裂纹圆盘试件动态断裂试验技术  17-18
  1.4 动态断裂韧度的表征  18-19
  1.5 动态断裂韧度和加载速率的关系  19-20
  1.6 静态、准—静态和动态的区分  20
  1.7 本文研究的主要内容  20-22
2 分离式霍普金森压杆(SHPB)实验设备及实验流程  22-30
  2.1 SHPB实验装置简介  22-26
    2.1.1 SHPB具体设备及功能  23-24
    2.1.2 应变片及数据采集系统  24-26
  2.2 实验基本理论  26-27
    2.2.1 SHPB基本假设  26
    2.2.2 SHPB基本方程  26-27
  2.3 实验流程  27-28
    2.3.1 准备工作  27
    2.3.2 基本步骤  27-28
    2.3.3 基本流程  28
  2.4 SHPB试验装置应用范围及存在问题  28-30
    2.4.1 SHPB试验装置应用范围  28-29
    2.4.2 SHPB试验装置优点  29
    2.4.3 SHPB试验装置存在问题  29-30
3 岩石纯Ⅰ型断裂的数值模拟  30-62
  3.1 断裂力学基本理论  30-34
    3.1.1 应力强度因子的近场解  30-31
    3.1.2 应力强度因子的远场解  31
    3.1.3 集中力作用下的应力强度因子公式  31-32
    3.1.4 分布力作用下的应力强度因子公式  32-33
    3.1.5 纯Ⅰ型和纯Ⅱ型裂纹的加载条件  33-34
    3.1.6 中心裂纹圆盘试件应力强度因子公式的动态推广  34
  3.2 纯Ⅰ型加载下的有限元模拟  34-41
    3.2.1 采用的数值模拟软件  34-35
    3.2.2 基本模型的建立  35-37
    3.2.3 有限元分析过程  37-41
  3.3 试件最佳尺寸的选择  41-54
    3.3.1 试件直径和厚度的选取  41-52
    3.3.2 裂纹相对长度的选取  52-54
  3.4 非理想裂纹的动态应力强度因子  54-62
    3.4.1 非理想裂纹模型的几何参数  55-57
    3.4.2 非理想裂纹圆盘试件的有限元模型  57-58
    3.4.3 非理想裂纹与理想裂纹试件的动态应力强度因子比较  58-62
4 不同加载速率下岩石动态断裂韧度的实验研究  62-72
  4.1 中心裂纹圆盘试件的制作  62
  4.2 岩石试样弹性模量的静态测试  62-65
  4.3 动态断裂韧度的测试  65-67
    4.3.1 试验设备相关参数  65
    4.3.2 试验原理  65-67
  4.4 纯Ⅰ型加载条件下的断裂实验结果与分析  67-72
    4.4.1 实验中应变片所测波形  67-69
    4.4.2 实验计算结果  69-72
5 结论与展望  72-74
  5.1 结论  72
  5.2 展望  72-74
参考文献  74-80
致谢  80-82
作者简介及读研期间主要科研成果  82

岩石类材料中心裂纹圆盘试件动态断裂韧性测试系统的动力学有限元分析及测试方法的研究

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