準脆性材料損傷演化的實驗力學研究.pdf

1、天津大學博士學位論文準脆性材料損傷演化的實驗力學研究準脆性材料損傷演化的實驗力學研究ExperimentalStudyonDamageEvolutionofQuasiBrittleMaterials一級學科：力學學科專業(yè)：固體力學作者姓名：張皓指導教師：亢一瀾教授天津大學機械工程學院二零一四年五月I摘要巖石類準脆性材料的力學性能和損傷失效是地下空間開發(fā)、水利水電建設、巖石隧道掘進、礦產(chǎn)資源開采等領域所關注的基礎科學問題。與此同時，從實驗

2、的角度測量和表征損傷是研究巖石各種損傷破壞過程的基礎性和關鍵性工作。本文圍繞準脆性材料損傷失效問題，在數(shù)字圖像相關全場測量與實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎上，對巖石材料的損傷演化規(guī)律及失效機制開展研究，論文選題具有重要的工程背景與科學意義。本文通過數(shù)字圖像相關技術（DIC）對巖石壓縮失效過程中的損傷演化與局部化進行系統(tǒng)的實驗研究，實時給出了不同載荷水平下巖石表面的變形位移場和應變場。在實驗結果分析的基礎上，本文將最大拉應變1?作為描述損傷的力學

3、參量，進一步對實驗給出的所有的實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。統(tǒng)計分析結果表明，全場所有測點的應變平均值基本隨壓力載荷呈線性增長，反映大部分測點在加載過程中處于均勻變形狀態(tài)；其中前10%左右的較大應變點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，表明這些點主導了巖石的損傷演化和裂紋擴展。在DIC全場測量與實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎上，首次提出了損傷演化雙因子實驗表征方法。以實時測量的最大應變1?作為損傷演化的關鍵參量，進行實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計與歸一化

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量，實驗結果發(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，表明損傷的匯聚串接已導致裂紋基本形成，驗證了這一方法對準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、三點彎等不同工況作用下的

5、損傷斷裂實驗研究。分析了壓頭載荷作用下巖石裂紋擴展的機理，給出了壓頭載荷與裂紋長度之間的關系。實驗發(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，并對加卸載過程中的裂紋行為進行了分析。DIC結合聲發(fā)射技術研究了巖石三點彎實驗損傷斷裂問題，綜合聲發(fā)射振鈴計數(shù)率與實驗位移、應變場分析發(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展全過程。關鍵詞：關鍵詞：準脆性材料；巖石；數(shù)字圖像相關；