爆炸荷载作用下青砂岩Ⅰ型裂纹动态扩展规律及动态断裂参数研究

李剑飞^1,2，朱哲明^1,2，万端莹^1,2，刘瑞峰^1,2

1. 四川大学深地科学与工程教育部重点实验室2. 四川大学建筑与环境学院

摘 要：为了研究爆炸荷载下岩石I型裂纹的动态起裂和扩展的规律以及其扩展过程中有关的动态断裂参数,提出了带切槽的半圆加矩形SREN(Semicircle and Rectangle with Edge Notches)板试件,试验材料为青砂岩,只采用雷管起爆作为动力源,通过3种不同长度的预制裂纹,结合裂纹扩展计(Crack Propagation Gauge,CPG)测速系统,获得裂纹的起裂和扩展时刻,求得了扩展速度并运用分形理论对其进行修正。同时,考虑到岩石为典型的脆性材料且裂纹尖端附近断裂区域为小变形,以及炸药在爆炸过程中压力和密度之间的关系,在AUTODYN软件的数值模拟研究中,岩石材料采用Linear状态方程、Elastic强度准则和Principal Stress失效模型,炸药材料采用JWL状态方程,通过模拟可观测裂纹扩展路径并检验试件的合理性。运用位移外推法,使用有限元软件ABAQUS计算了裂纹起裂及扩展时的应力强度因子,结合CPG测得的断裂时刻,获得了每种试件构型在不同扩展长度下的动态断裂韧度。通过实验并结合数值模拟结果表明:使用的大尺寸SREN试件能有效地减少反射拉伸应力波对裂纹动态起裂及扩展的影响,可作为脆性材料动态断裂参数测量的试件;随着预制裂纹长度的增加,起裂时间变长,平均扩展速度变小且波动变小,趋于稳定扩展;预制裂纹长度的增加,也会导致起裂韧度测试值逐渐减小,扩展韧度测试值并非定值,会大于起裂韧度测试值并逐渐减小。

关键词：断裂力学;爆炸力学;不同长度预制裂纹;动态断裂韧度;动态应力强度因子;