李 清，郭 洋
（中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京100083）
摘要：利用焦散线实验对含预制裂纹半圆盘试件在落锤冲击载荷作用下的断裂行为进行了研究，采用实验-解析法测定了试件受到的落锤冲击载荷的变化情况。实验结果表明：在裂纹起裂前，作用于试件上的冲击力总体表现为不断增大的趋势；当试件受到的冲击力达到最大值4. 8kN之后，裂纹起裂并迅速扩展；裂纹起裂后，冲击力开始不断下降。在冲击载荷作用下，裂纹尖端的应力强度因子在起裂后会出现瞬间减弱的现象，这与裂纹尖端大量的微裂纹被“活化”有关系；但随着裂纹的继续扩展，裂纹尖端的应力强度因子又再次上升。裂纹的扩展速度在起裂后的扩展过程中基本保持匀速扩展，仅在距离边界一定范围内才出现快速下降的现象。
关键词：光测力学；冲击载荷；三点弯曲梁；焦散线方法；断裂行为；应力强度因子
中图分类号：TU443 文章编号：1004-4051(2016)06-0139-04
深部开采、隧道爆破掘进以及建筑施工等均涉及材料的动态断裂破坏问题。长期以来，对这一问题的研究主要在材料的断裂机理、断裂行为和破坏效应等方面。胡柳青分别从宏观、细观、微观三个层次对岩石在冲击载荷下的断裂特性进行了探究，并推导了三种不同层次下岩石变形破坏的一般规律。
李清采用焦散线实验方法对岩石在爆炸载荷作用下的动态断裂行为进行了研究，分析了定向断裂爆破中动态裂纹的扩展规律。满轲等采用霍普金森杆对玄武岩在不同加载率下的动态断裂韧度进行了测试，发现岩石材料的动态断裂韧度与其抗拉强度存在正相关关系。潘一山等采用数字散斑观测方法对爆炸冲击载荷下巷道的变形破坏过程进行了分析。郭昭亮对含缺陷的膨胀环在动载条件下的断裂特征进行了研究，发现裂纹内壁首先出现裂纹，并随着载荷增加逐渐形成穿透裂纹。吴飞飞等对金属玻璃材料进行三点弯曲实验，分析了其断裂机理与其断裂韧度之间的关系。夏开文等经过多年的研究，提出了通用的岩石动力测试方法，并编写了岩石动力测试的推荐方法，为岩石的动态断裂参数测试提供了参考。韩东波通过霍
普金森杆实验，结合LA-DYNA数值分析方法对岩石材料的动态断裂过程进行了分析，认为在巴西圆盘试验中，裂纹的断裂是从加载两端起裂，并向试件中间扩展的过程。贾敬辉采用RFPA2D对岩石三点弯曲动态破坏过程进行了模拟，分析了材料的均质度、预制裂纹的尺寸与形状以及应力波幅值等参数对材料断裂的影响。尹相振从细观角度对混凝土的破坏机制进行了分析，提出适用于混凝土动态受力分析的细观刚体弹簧元方法，建立了用于模拟混凝土的粘弹塑性损伤本构模型，并分析了混凝土的动态强度随加载率变化的增长规律。这些学者从不同角度对材料的动态断裂行为进行了研究，然而，由于动态裂纹扩展和冲击载荷的瞬时性，材料的断裂破坏行为往往很难准确测定，对于冲击载荷的变化与试件断裂参数之间的关系还很不清楚，需要进一步研究。
本文利用焦散线实验方法，利用夏开文教授提出的含裂纹半圆盘弯曲( notch edsemi-circular bend，NSCB)试件，采用落锤冲击加载方式对有机玻璃试件中I型动态裂纹的断裂行为进行了研究。利用实验一解析法测定了作用于试件上的落锤冲击力，分析了冲击力变化与裂纹起裂之间的关系，探讨了裂纹扩展速度和裂纹尖端应力强度因子的变化规律。
1 实验测试原理
1.1 动态应力强度因子
1.2 实验-解析法测定落锤冲击力
根据国际岩石力学学会提出的材料动力测试推荐方法，在冲击载荷作用下，带裂纹的半圆盘试件所受到的冲击力可表示为式(2)。
因此，通过式(6)计算得到冲击动载作用下任意t时刻时与动态裂纹长度对应的静止裂纹的应力强度因子值，再由式(2)得到相应的t时刻时，落锤作用于试件上的冲击力P。
2实验描述
2.1试件模型
实验所选用的材料为有机玻璃( Poly methylMeth acry late，PMMA)。由于其具有较高的光学常数ct，光学各向同性，且产生单焦散线，可以有效的保证实验结果的准确性，其动态力学参数如表1所示。试件为半径60mm厚度5mm的半圆盘，沿垂直于直径方向在圆心处设置中心裂纹，长度为10mm。图2为实验模型试件示意图。本实验采用落锤冲击方式，每种试件实验五组，为了保证实验结果的一致性，严格保证每次实验落锤的质量以及下落高度保持不变。落锤质量为0. 82kg，下落高度为321mm，两支座间距S为100mm。
2.2实验光路及设备
实验采用新型数字激光动态焦散线实验系统，图3表示实验光路示意图。实验选用绿色激光作为光源，采用高速相机对实验过程进行记录，拍摄时间间隔设置为6. 67μs，其可以获得大量的实验信息，更便于对实验结果的分析。该系统克服了传统多火花式焦散线实验系统的不足。采用高速相机对实验过程进行记录，大大提高了记录的长度和拍摄的幅数。同时，将高速相机置于透镜的主光轴上，降低了实验的系统误差。采用计算机存储更方便了对实验结果的进一步处理以及信息的提取。
3 实验结果及分析
3.1 动态冲击力及起裂时间
图4为冲击载荷作用下裂纹尖端焦散斑变化的系列图片。由焦散线原理可知，作用于试件边界上的集中力会在作用点上产生焦散斑。利用这一特性，本文将落锤与试件接触点处开始产生焦散斑的时刻定义为0时刻。从图4中可以看出，t=0 μs时，由于受到落锤冲击力作用，在试件与落锤的接触点处产生了一个很小’的焦散斑，此时落锤开始与试件接触。随后，裂纹尖端的焦散斑不断增大。在t=193. 33μs时，预制裂纹起裂，裂纹向前扩展。直至t=433. 3μs时，裂纹完全贯通，试件完全分开。在裂纹整个扩展过程中，裂纹扩展十分平直，为典型的I型断裂。
图5表示了落锤冲击力和裂纹扩展距离随时间的变化曲线。由于本文是采用预制裂纹尖端的应力强度因子来推算作用在试件上的落锤冲击力，因此，只有当预制裂纹尖端产生可测的焦散斑之后，才能确定落锤冲击力。本文在46. 67μs后才计算出落锤冲击力。在裂纹起裂前，落锤的冲击力不断上升，并达到最大值4. 8kN。预制裂纹随即起裂并向前扩展。此后，随着裂纹迅速扩展，作用于试件上的落锤冲击力不断下降。从图中还可以看出，预制裂纹扩展后，裂纹扩展距离随时间的变化曲线基本为一条直线，仅在裂纹扩展至距离试件边缘10mm左右时，才逐渐区域平缓。说明在整个裂纹扩展过程中，裂纹基本处于匀速扩展阶段。
3.2应力强度因子
3.3裂纹扩展速度
图7表示裂纹扩展速度随时间的变化曲线，从图中可以看出，在t=193. 33μs时，裂纹起裂，扩展速度迅速增大，在t=206. 67μs时，裂纹扩展速度达到247. 06m／s。在t=206. 6,7μs到t= 353. 33m/s之间，裂纹扩展速度不再迅速增大，而是表现为在250m／s附近上下波动的特点，在此阶段内，裂纹的平均扩展速度为251. 87 m/s。在t= 353. 33m／s以后，裂纹扩展速度开始下降直至试件贯通。结合图6和图7可以发现，在试件未完全丧失承载力阶段，裂纹的扩展速度基本处于稳定扩展阶段，这与图4中观察到的结果相一致。随着落锤对试件的作用，试件完全丧失承载力，裂纹的扩展速度也随之下降，直至试件完全贯通。
4结 论
1)采用实验-解析法测定了落锤冲击过程中冲击力的变化情况。在裂纹起裂前，作用于试件上的冲击力总体表现为不断增大的趋势；当试件受到的冲击力达到最大值之后，裂纹起裂并迅速扩展；裂纹起裂后，冲击力开始不断下降。
2)在冲击载荷作用，裂纹尖端的应力强度因子在起裂后瞬间出现下降的现象，这与裂纹尖端大量的微裂纹被“活化”有关系；但随着裂纹继续扩展，裂纹尖端的应力强度因子再次增加。
3)在冲击载荷作用下，裂纹的扩展速度基本维持在匀速扩展阶段，仅在距离边界一定范围内才出现快速下降的现象。
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