準(zhǔn)脆性材料損傷演化的實(shí)驗(yàn)力學(xué)研究.pdf

1、天津大學(xué)博士學(xué)位論文準(zhǔn)脆性材料損傷演化的實(shí)驗(yàn)力學(xué)研究準(zhǔn)脆性材料損傷演化的實(shí)驗(yàn)力學(xué)研究ExperimentalStudyonDamageEvolutionofQuasiBrittleMaterials一級(jí)學(xué)科：力學(xué)學(xué)科專業(yè)：固體力學(xué)作者姓名：張皓指導(dǎo)教師：亢一瀾教授天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院二零一四年五月I摘要巖石類準(zhǔn)脆性材料的力學(xué)性能和損傷失效是地下空間開發(fā)、水利水電建設(shè)、巖石隧道掘進(jìn)、礦產(chǎn)資源開采等領(lǐng)域所關(guān)注的基礎(chǔ)科學(xué)問題。與此同時(shí)，從實(shí)驗(yàn)

2、的角度測(cè)量和表征損傷是研究巖石各種損傷破壞過程的基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性工作。本文圍繞準(zhǔn)脆性材料損傷失效問題，在數(shù)字圖像相關(guān)全場測(cè)量與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)巖石材料的損傷演化規(guī)律及失效機(jī)制開展研究，論文選題具有重要的工程背景與科學(xué)意義。本文通過數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（DIC）對(duì)巖石壓縮失效過程中的損傷演化與局部化進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)時(shí)給出了不同載荷水平下巖石表面的變形位移場和應(yīng)變場。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，本文將最大拉應(yīng)變1?作為描述損傷的力學(xué)

3、參量，進(jìn)一步對(duì)實(shí)驗(yàn)給出的所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，全場所有測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變平均值基本隨壓力載荷呈線性增長，反映大部分測(cè)點(diǎn)在加載過程中處于均勻變形狀態(tài)；其中前10%左右的較大應(yīng)變點(diǎn)的平均值在損傷局部化及裂紋萌生階段表現(xiàn)為非線性快速增長，表明這些點(diǎn)主導(dǎo)了巖石的損傷演化和裂紋擴(kuò)展。在DIC全場測(cè)量與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，首次提出了損傷演化雙因子實(shí)驗(yàn)表征方法。以實(shí)時(shí)測(cè)量的最大應(yīng)變1?作為損傷演化的關(guān)鍵參量，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與歸一化

4、分析，提出了損傷局部化因子fL，描述損傷的空間局部化程度，提出了損傷程度因子fD，描述損傷的程度，并給出了雙因子曲線隨壓力載荷的變化。本文還將雙因子方法應(yīng)用于巴西圓盤、壓頭壓入、循環(huán)加卸載等不同工況與不同試件的損傷演化測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雙因子曲線均在損傷局部化階段發(fā)生交匯之后曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，表明損傷的匯聚串接已導(dǎo)致裂紋基本形成，驗(yàn)證了這一方法對(duì)準(zhǔn)脆性材料損傷演化定量表征的適用性。論文開展了巖石在壓頭載荷、加卸載、三點(diǎn)彎等不同工況作用下的

5、損傷斷裂實(shí)驗(yàn)研究。分析了壓頭載荷作用下巖石裂紋擴(kuò)展的機(jī)理，給出了壓頭載荷與裂紋長度之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)加卸載過程中存在能量耗散，殘余變形隨循環(huán)載荷的增加而增大，并對(duì)加卸載過程中的裂紋行為進(jìn)行了分析。DIC結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)研究了巖石三點(diǎn)彎實(shí)驗(yàn)損傷斷裂問題，綜合聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率與實(shí)驗(yàn)位移、應(yīng)變場分析發(fā)現(xiàn)，裂紋起裂載荷約為峰值載荷的80%。利用DIC位移場分析得到了裂紋張開位移以及裂紋擴(kuò)展全過程。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：準(zhǔn)脆性材料；巖石；數(shù)字圖像相關(guān)；