冲击载荷作用下双裂纹材料断裂实验研究★

2013-04-12边亚东潘洪科胡江春

山西建筑 2013年11期

边亚东潘洪科胡江春

(中原工学院建筑工程学院，河南郑州 450007)

1 概述

含预置裂纹材料的动态断裂力学行为比静态情况复杂得多，而同等条件下，双裂纹材料又比单裂纹材料复杂。实验研究证明，焦散线方法可以不考虑这种复杂性，仅依靠获得的焦散线特征尺寸，即可对材料的动态断裂性能做出有实际应用价值的判断。这种方法精确度较高、实验技术简单，在动态断裂领域具有研究前景。

Manogg［1］首次将焦散线法应用于断裂力学的研究。Theocaris［2］确定了裂纹尖端区域塑性区尺寸及应力强度因子。Kalthoff［3］将该方法推广到动态断裂范畴，推导出动态应力强度因子的计算公式。姚学锋［4］对复合材料的裂纹起裂、扩展、失稳进行了实验分析和模拟。岳中文［5］对爆炸载荷下裂纹扩展的方向及临界条件进行了预测研究。

本文采用预置双裂纹的有机玻璃模型试件，进行冲击加载下动焦散实验，获得裂纹尖端应力强度因子与裂纹扩展规律，并与单裂纹材料进行对比，以得到裂纹间相互作用对动态断裂参数的影响规律。

2 实验设计

2.1 透射式实验系统

焦散线实验光路系统分为透射式和反射式两种，本实验采取透射式系统。实验系统主要包括摄影系统、光电转换系统以及加载与控制装置。其中，摄影系统由多火花高速照相机与双场镜组成;光电转换系统主要用于记录每幅照片曝光时刻;加载装置采用落锤冲击事先放置好的试件;控制装置用于点光源的触发与依次放电间隔时间的控制。

2.2 应力强度因子

冲击载荷下双裂纹材料，裂纹表现为Ⅰ，Ⅱ复合型裂纹，裂纹尖端应力强度因子表达为［3］:

式中:g——应力强度因子数值系数;

z0——参考平面到试件距离;

c——试件应力光学常数;

d——试件厚度;

λm——光学系统放大系数;

Dmax——裂纹尖端焦散线的最大直径;

μ——应力强度因子比例系数。

2.3 试件设计

试件几何尺寸为220 mm×45 mm×5 mm，其弹性模量为4.6 GPa，泊松比为 0.38，应力光学参数为 0.86 ×10－10m2/N。预置裂纹垂直于试件下边界，部分预置裂纹位置及长度见表1。

表1 预置裂纹位置及长度 mm

3 实验结果及分析

如图1所示为部分试件焦散线图像。由图1a)看到，时刻280 μs，试件2-2-1第二条预置裂纹尖端处的焦散斑开始运动，裂纹起裂;时刻506 μs，裂纹已基本贯通;而第一条裂纹尖端处的焦散斑大小虽然有变化，但由于第二条裂纹吸收大部分能量，该裂纹并未起裂。为对比分析，试件1-3-1焦散线图像如图1b)所示。

图1 焦散线图像

根据焦散线的特征尺寸，利用式(1)和式(2)可得到各时刻的裂纹尖端应力强度因子。图2，图3分别为试件2-2-1与1-3-1应力强度因子时间关系曲线。

试件2-2-1第二条裂纹尖端Ⅰ型应力强度因子幅值大多介于1 MPa·m1/2～3 MPa·m1/2之间;第一条裂纹尖端Ⅰ型应力强度因子幅值大多介于0～1 MPa·m1/2之间。应力强度因子在裂纹扩展前后有不同程度的波动变化特性。Ⅱ型应力强度因子较小，说明Ⅰ型载荷为主要加载方式。单裂纹试件1-3-1在起裂前，应力强度因子大致呈线性增长特性，在裂纹起裂后，应力强度因子与双裂纹试件类似，呈波动变化特征。

图2 试件2-2-1动态应力强度因子—时间曲线

图3 试件1-3-1动态应力强度因子—时间曲线

将两者比较发现，预置裂纹位置相同处的动态应力强度因子，双裂纹较单裂纹试件数值小。随着裂纹长度的增加，应力集中程度减弱，而裂纹起裂的时刻提前。这是由于在应力波的作用以及裂纹间的相互影响下，双裂纹试件预置裂纹尖端处应力场无需积聚到导致单裂纹试件裂纹起裂的等量强度时，其裂纹就会发生开裂。这说明，裂纹尖端应力强度因子不仅与裂纹的高度、尺寸、位置有关，而且与裂纹群的分布状况有关。