岩土力学 ›› 2020, Vol. 41 ›› Issue (5): 1573-1582.doi: 10.16285/j.rsm.2019.1071

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

基于3D-ILC含60°内裂纹脆性球体 I-II-III型断裂研究

王海军1，郁舒阳2，汤子璇1，汤雷1，任然3，徐进4   

  1. 1. 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程国家重点试验室，江苏 南京 210029； 2. 河海大学 水安全与水科学协同创新中心，江苏 南京 210098； 3. 中冶华天工程技术有限公司，江苏 南京 210019；4. 法国国立杜埃高等矿业学院，法国 杜埃 59500
  • 收稿日期:2019-06-17 修回日期:2019-09-12 出版日期:2020-05-11 发布日期:2020-07-07
  • 通讯作者: 汤雷，男，1971年生，博士，教授级高级工程师，主要从事结构工程方面的研究工作。E-mail: leitang@nhri.cn。 E-mail:hjwang@nhri.cn。
  • 作者简介:王海军，男，1985年生，博士，硕士生导师，高级工程师，主要从事岩石断裂力学方面研究工作。
  • 基金资助:
    国家重点研发计划（No. 2016YFC0401801）；国家自然科学基金（No. 51409170，No. 51739008，No. U1765204）；江苏省自然科学基金（No. BK20171130）。

Investigation of mode I-II-III fracture of brittle spheres with a 60° internal crack using 3D-ILC

WANG Hai-jun1, YU Shu-yang2, TANG Zi-xuan1, TANG Lei1, REN Ran3, XU Jin4   

  1. 1. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resource and Hydraulic Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing, Jiangsu 210029, China; 2. Collaborative Innovation Center on Water Safety and Water Science, Hohai University, Nanjing, Jiangsu, 210098, China; 3. Huatian Corporation, China Metallurgical Group Corporation, Nanjing, Jiangsu 210019, China; 4. Ecole Nationale Supérieure de Techniques Industrielles et des Mines de Douai, Douai, 59500, France
  • Received:2019-06-17 Revised:2019-09-12 Online:2020-05-11 Published:2020-07-07
  • Supported by:
    This work was supported by the National Key Research and Development Plan(2016YFC0401801), the National Natural Science Foundation of China (51409170,51739008,U1765204) and the Natural Scinece Foundation of Jiangsu Province(BK20171130).

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摘要： 球体作为自然界最完美的几何形态、也是生活工业中常见的几何形态，球体的力学特性对工程安全及数值仿真具有重要意义。内裂纹和内部类裂纹缺陷是材料的固有属性，对材料力学特性影响巨大。由于各类瓶颈问题，而当前研究都未能考虑球体的内裂纹问题。对于真实世界里，脆性球体的内裂纹如何扩展都尚未有认知。基于3D-ILC（三维激光疲劳内裂纹）技术，在对球体试样表面无任何影响的情况下生成纯封闭内裂纹，开展单轴压缩下脆性球体60°内裂纹扩展断裂试验，与完整圆球试样对比，得到裂纹扩展及试样破坏过程、起裂与破坏荷载、翼裂纹面形态特征及撕裂区特征、破坏形态规律，并基于M积分得到内裂纹尖端I、II、III型强度因子KI、KII、KIII分布规律，与试验结果对比以得到验证。结果表明：（1）试样裂纹形态主要有：上翼裂纹、下翼裂纹、主裂纹；（2）单轴压下球体内裂纹出现翼型扩展并呈现复杂的I-II-III型裂纹特征，翼裂纹扩展由光滑区与撕裂区组成，光滑区裂纹面基本光滑且尖端圆滑为I-II型裂纹，撕裂区具备“二叉树”形态特征为I-II-III型裂纹，存在非连续现象；（3）基于M积分的裂纹尖端KI、KII、KIII分布规律，裂纹光滑区、撕裂区的力学机制分析与试验一致；（4）3D-ILC在球体内裂纹研究中的适用性得到证明，为解决球体及断裂力学中的内裂纹及I-II-III型断裂问题提供了有力工具。成果是对当前无法考虑内缺陷的球体颗粒力学研究的很好的补充，同时，为断裂力学中三维问题、内裂纹问题、I-II-III型裂纹问题等研究，提供试验和理论参考。

关键词: 透明类岩石, 三维内裂纹, 3D-ILC, 断裂力学, 球体

Abstract: As one of the perfect geometries in nature, sphere is common in the daily and industrial life. The mechanical properties of sphere are of great significance to engineering safety and numerical simulation. Internal cracks or defects are inherent properties of materials, and have an important influence on the mechanical properties of materials. However, the internal crack of sphere is not considered in the current research due to the limit of technology. Thus, understanding of the propagation of internal cracks of brittle sphere is limited. In our study, internal cracks were created in glass sphere samples by 3D-ILC (3D-internal laser-engraved crack). Uniaxial compression tests were performed on samples with an internal crack at 60°. By comparing with results of samples without a 60° internal crack, the propagation of the internal crack, the load and the fractography were investigated. The distributions of KI, KII, KIII were calculated using M-integral. Results showed that: 1) the fracture patterns include wing cracks and primary crack. 2) Wing crack is composed of smooth zone (mode I-II fracture) and tear zone (mode I-II-III fracture). 3) The distributions of KI, KII, KIII around crack tips obtained by M-integral are consistent with the test results. 4) 3D-ILC can be successfully applied into the investigation of internal cracks of sphere and it provides experimental and theoretical basis for the study of 3D problem, internal cracks and mode I-II-III fracture in fracture mechanics of brittle materials.

Key words: transparent rock-like materials, 3D internal crack, 3D-ILC, fracture mechanics, sphere

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