脆性材料在冲击荷载下的力学行为研究现状

脆性材料在冲击荷载下的力学行为研究现状西安理工大学的贾竞等在2015年5月研究了表面热冲击下脆性材料半空间不同方位裂纹的临界长度，他们认为：结构承受热冲击时，温度非均匀性会导致结构产生热应力，从而引起裂纹的萌生和扩展。该文研究脉冲激光作用下的含单裂纹脆性材料半空间温度场和应力场。基于Fourier(傅里叶)热传导和热-力耦合原理，建立瞬态热传导方程和平衡方程;采用ANSYS软件实现温度场和应力场三维问题的有限元数值模拟;分析不同裂纹在不同位置对热应力场的影响，从而得到裂尖应力强度因子;依据材料临界应力强度因子，通过有限元计算得出不同方位热冲击下裂纹扩展的临界长度。计算结果表明，脆性材料在受到Gauss(高斯)分布激光的辐照时，裂纹长比激光半径为0．12时，裂纹较为危险，且在r/r0=0．2处且与径向夹角为60°的裂纹更为危险，而且材料的断裂应属于剪切型断裂。这些结果可以为承受热冲击结构中的危险裂纹标定提供理论依据。北京交通大学的姜文征等在2014年4月研究了不同加载条件下泡沫杆的冲击动力响应，他们认为：基于一维非线性质量弹簧模型，研究了不同冲击加载条件下泡沫材料杆的冲击动力响应特性．在保证初始冲量相同的条件下，对比讨论了矩形载荷、正弦载荷、三角形载荷和倒三角载荷作用下泡沫杆内弹塑性应力波的传播过程，以及杆的动态变形特征．给出了不同载荷作用下的冲击应力增强因子和临界冲量．研究结果确定了不同冲击加载条件下泡沫材料的动力响应特征，对不同工况下泡沫结构的动力学性能设计具有重要的理论指导意义．重庆大学的陈刚等在2011年11月对冲击压缩下氧化铝陶瓷中的延迟破坏进行了实验研究，他们认为：利用轻气炮对不同厚度的氧化铝陶瓷试件进行了平板冲击实验，并借助激光速度干涉仪（ＶＩＳＡＲ）测试了试件的自由面速度历程。实验结果显示，自由面速度曲线上存在表征破坏波出现的二次压缩信号。根据实验结果计算获得了破坏波穿过试件的运动进程，并确定了试件中破坏波的运动轨迹近似为一条直线，得出在冲击压力为７．１６ＧＰａ时试件内破坏波波速约为５．０５１ｋｍ／ｓ，破坏延迟时间约为０．１０５μｓ。最后简单分析了该现象产生的物理机制。中南大学的汪亦显等在2011年11月对冲击载荷下脆性岩板损伤断裂演化的实验模拟进行了研究，他们认为：在矿山运输系统中，井壁围岩冲击损伤破坏对经济和安全效益的影响是至关重要的，因为动态冲击载荷对井壁围岩和支护结构会产生严重的削弱破坏作用，室内研究表明，岩石样品如岩板在动态载荷的冲击作用下会失效。为研究在低速冲击载荷作用下，脆性岩石损伤断裂的演化过程，利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置中压缩气体发射球体子弹对脆性岩板进行变角度冲击损伤实验，岩板受到冲击后，边缘出现凹坑，表面裂纹从撞击凹坑直达岩板边缘，实验中样品的表面裂纹能有效代表试样内部的开裂状况，能有效反映冲击能量的耗散、破裂区面积与裂纹表面积随入射能量呈非线性增长趋势，同时与入射角度相关，但当破裂区面积急剧下降时，裂纹表面积反而急剧上升，表明裂纹的发生发展有明显的孕育期，在入射能量达到临界值前，主要表现为裂纹孕育增长，在达到临界值后，发生宏观断裂破坏，裂纹面积呈负增长，破裂区面积增大。实验结果分析表明在实际工程中，围岩和支护结构的抗冲击的最优化设计角度范围在15°～30°。北京理工大学的张延耿等在2010年4月对冲击载荷作用下脆性材料的失效波进行了实验研究，他们认为：为研究玻璃、陶瓷等脆性材料在冲击加载条件下的失效波问题,在一维应变条件下,采用VISAR测量了不同冲击载荷作用下A95氧化铝陶瓷和sodalime玻璃试件背面的粒子速度时间历程。结果显示:采用相同的实验方法,sodalime玻璃试件背面粒子速度时间曲线出现了表征失效波现象的再压缩信号,而氧化铝陶瓷试件无此现象出现。这表明陶瓷与玻璃虽同为脆性材料,但是其破坏机制不尽相同,需要进一步开展研究。中南大学的李夕兵等在2011年6月对冲击载荷作用下硬岩层裂破坏的理论和试验进行了研究，他们认为：理论分析半正弦冲击入射加载波形下的层裂破坏特性，推导产生层裂破坏的位置和层裂厚度。利用改进的霍普金森压杆装置产生的半正弦波形对花岗岩试件进行层裂破坏试验。采用高速摄像仪记录试件层裂破坏的全过程。试验结果表明：岩石试件在半正弦入射加载波形情况下，首先如理论推导结果一样只产生了一层层裂破坏，但是随着时间的推移，岩石试件后续又产生了多层层裂；高速摄影仪和动态应变仪所采集到的分析结果均表明后续产生的层裂是由于入射加载过程中已经对岩石试件产生了损伤，以致在很弱的残余反射波作用下继续产生破坏而出现多层层裂。因此，研究岩石等脆性材料的层裂破坏规律，不但要根据最大拉应力瞬间断裂准则分析入射加载波和反射卸载波相互作用所产生的破坏效应，而且要考虑损伤对材料的影响。理论分析和试验方法对研究岩石的层裂破坏及其他相关特性具有一定的指导意义。大连大学的袁琳等在2011年10月对冲击载荷作用下准脆性材料II型裂纹扩展进行了研究，他们认为：冲击载荷作用下准脆性材料的动态断裂一直是关注的热点问题，Ⅱ型裂纹试样受冲击剪切时其裂纹扩展方向同材料力学性质和冲击速度等密切相关。应用岩石动态破裂过程动态分析系统软件，对单边平行双裂缝试样开展了冲击载荷作用下的裂纹动态扩展数值模拟，分别研究了不同材料力学性质、材料均质度、入射应力脉冲幅值和历时对II型裂纹动态扩展的影响。数值模拟结果表明，纯II型裂纹在动荷载作用下的扩展，不仅受到剪切损伤，而且还存在拉伸损伤；准脆性材料的非均匀性导致了主裂缝周围产生大量微裂纹的破坏，影响裂缝的分岔和内部的应力值；应力幅值和应力脉冲历时分别超过某一定值时，主裂缝将出现分叉现象，试样的破坏程度加剧，其研究结果对于深入揭示准脆性材料在动荷载作用下II型裂纹扩展的规律及准脆性材料的损伤断裂机制具有重要的参考价值。中国农业大学的徐春晖等在2011年10月对冲击载荷作用下准脆性连续体破裂问题进行了研究，他们认为：在连续体动力问题中心差分算法的基础上，引进准脆性材料的破坏准则，节点单元的破裂算法、离散子块的接触搜索及接触力计算等，对准脆性连续体在冲击载荷作用下的破裂破坏问题进行数值模拟．通过数值算例，给出结构在冲击载荷作用下裂纹产生和扩展的模拟结果图，初步验证程序的正确性和可应用性，为模拟连续体转变为非连续体这一复杂物理过程提出新方法和新思路．大连理工大学的杨岳峰等在2013年6月对冲击作用下的压头破岩机制进行了研究，他们认为：与静态岩石破碎过程相比，冲击作用下岩石的应力改变具有时间效应，应力波传播过程中表现出压、拉变化。基于损伤演化原理和有限元数值模拟方法，针对冲击荷载作用下的压头破岩机制进行了模拟分析。为排除边界上反射波的影响，黏弹性边界被纳入计算中。首先论证了黏弹性边界在均质和非均质介质中的计算精度，然后分析了冲击作用下不同均质度的岩石以及砂砾岩的响应规律，结果显示：在弹性情况下，压头与岩石接触边缘以及自由面附近是拉应力分布区，接触边缘拉应力最大。剪应力最高值并不位于接触面附近，而是离接触面有一定距离。较均质岩石主要呈现拉伸破坏模式，先出现赫兹裂缝，然后是径向裂缝和侧向裂缝，拉应力的产生成为诱发裂缝萌生和扩展的主因。当岩石均质度较低时，岩石的破坏形式呈现多元化，剪切破坏比重加大，表现为复杂的拉剪破坏模式。对于砾石粒径较大、含量较多的砂砾岩，砾石和基质的非均匀性不可忽略，冲击下破坏模式以绕粒环行和穿粒破坏为主。总体说来，对于岩石类准脆性材料，应力波传播过程中产生的拉应力是失稳的诱发和扩展的关键。四川大学的刘凯等在2015年6月对脆性材料裂纹动态扩展规律进行了研究，他们为研究脆性材料中动态裂纹的扩展规律，采用PMMA(有机玻璃)作为试件材料，通过钢板冲击试验和拉格朗日与SPH耦合模拟算法进行研究。在保持其他条件一致的情况下，通过改变冲击速度和初始裂纹角度进行分组试验，然后完全对应试验的冲击条件和试件状态进行分组模拟，最后对比分析。结果表明:脆性材料动态裂纹的扩展形态主要是翼型扩展，还有非翼型的次生裂纹出现，翼型裂纹扩展方向竖直向下，次生裂纹扩展方向趋于水平;动态裂纹的扩展长度随冲击速度以指数趋势增长;试件中次生裂纹的出现，很大程度地增加了裂纹扩展长度;翼型裂纹的扩展角度随着初始裂纹角度的增大而减小;拉格朗日与SPH耦合算法，能够逼真显示动态裂纹中翼型裂纹的扩展形态等。华南理工大学的李英华等在2011年对脆性材料水泥砂浆多轴应力下的动态响应进行了分析，他们认为：在实际的结构应用中，混凝土类材料一般处于复杂工作应力状态，且可能承受动态荷载的作用。据此，本文采用Instron3421液压伺服试验机和具有主动围压加压装置的SHPB研究了混凝土材料－砂浆宽应变率范围多轴应力下的动态力学行为;基于Johnson-Cook强度模型框架，确定了等效强度模型的率相关参数及其他材料常数;提出了适用于描述主动围压下砂浆受冲击荷载的损伤演化规律，并确定了损伤演化常数，实验数据与理论值吻合较好。空军工程大学的吕晓聪等在2010年4月对大直径SHPB系统角闪岩的冲击动力进行了试验，他们认为：采用大直径分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,在波形整形技术试验的基础上,对不同厚度的圆柱形角闪岩试件在冲击压缩过程中的应力均匀性进行分析,确定了岩石试件的最佳尺寸;对角闪岩在高应变率下的动态力学性能进行试验;分析了其应力应变曲线的力学特性;并从岩石材料微观结构的角度对角闪岩动态抗压强度、破坏形态和能量耗散随应变率的变化规律进行了研究。结果表明,在较低应变率下,角闪岩试件的动态压缩破坏呈显著的轴向劈裂破坏模式;在较高应变率下,试件破坏呈现压碎破坏模式;角闪岩的比能量吸收值与应变率ε呈线性关系,而动态抗压强度增长因子η(即动态抗压强度)与ε的1/3次方成线性关系。中国矿业大学(北京)的何满潮等在2014年2月对负泊松比效应锚索的力学特性及其在冲击地压防治中的应用进行了研究，他们认为：冲击地压发生强度、危害程度及频次呈急剧增加趋势，现有支护材料无法满足冲击力作用下巷道防护的要求，基于负泊松比材料的特殊力学特性，结合井下巷道冲击大变形控制的需求，研发了具有负泊松比效应新型高恒阻大变形锚索。采用室内力学实验和现场爆破模拟冲击试验相结合的方法，对新型锚索的防冲力学特性进行了研究，结果表明恒阻锚索能够在静力拉伸作用下产生滑移拉伸变形的同时保持350kN左右的恒定阻力，多次落锤冲击动力作用下，能够通过保持恒定阻力并产生拉伸变形来吸收冲击能量。以沈阳红阳三矿1213回风联络巷为工程背景，提出了现场采用爆破形式模拟冲击地压的现场防冲方案，试验表明高恒阻大变形锚索在爆炸冲击力作用下可以产生瞬间滑移变形，从而吸收爆炸产生的冲击能量，并具有保持恒定阻力的特殊力学性能;通过现场对比试验可知，在相同当量爆破冲击能量作用下，普通锚索试验段完全崩垮，恒阻锚索试验段整体稳定，验证了恒阻大变形锚索比普通锚索具有更好的抗冲击力学性能。中国矿业大学(江苏)的江红祥等在2015年1月对高压水射流冲击破岩损伤场进行了分析，他们认为：以Johnson-HolmquistmodelⅡ(JH-2)脆性材料本构模型来表征岩石的力学特性，利用光滑粒子流(SPH)和有限元(FEA)耦合算法建立高压水射流冲击破岩过程的数值模型，很好地模拟水射流损伤破岩过程中岩石失效、裂纹扩展以及不同位置岩石单元的损伤程度随时间变化的过程。此外，模拟分析射流冲击速度、入射角以及平移速度对岩石损伤场的影响。研究结果表明：岩石的损伤破坏、裂纹扩展是剪切和拉伸共同作用引起的，且近射流冲击点的损伤破坏由剪切作用主导，而放射性裂纹和层状裂纹的扩展主要由拉伸作用主导；岩石单元的损伤值随时间呈阶跃性变化，且射流冲击损伤破岩过程为微秒量级；射流冲击损伤破岩的入射角存在一个有效范围，当入射角大于70o时损伤破岩效果较好；射流冲击速度较低时以表面冲蚀岩石为主，射流冲击速度达到一定值才能使岩石损伤破坏，出现放射性裂纹和层状裂纹；射流平移速度与冲击速度相比很小，对岩石的损伤场影响不明显。大连理工大学