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岩石动态断裂性能的Ⅱ型能量型尺寸效应与应变率效应研究

更新时间:2016-07-05

随着近年来对岩石类材料研究的不断深入,人们对材料变形破坏过程中材料的时间空间因素的认识越来越深入. 在动力荷载作用下的准脆性材料强度,表现出很强的时空依赖性. 材料破坏时的尺寸效应普遍存在,尺寸效应分为统计型尺寸效应与能量型尺寸效应. 统计型尺寸效应可以用随机局部强度理论描述. 而能量型尺寸效应分为Ⅰ型和Ⅱ型:Ⅰ型尺寸效应是描述无裂纹试件裂纹的产生和发展导致的材料破坏的尺寸效应;而Ⅱ型尺寸效应描述在变形破坏之前试件表面已有深切口或者无应力深裂纹存在的情况下材料的尺寸效应. 同时在各类冲击荷载下,也常常涉及到材料和结构的动力学性能,故需要考虑应变率效应问题. 需要指出的是,此处的Ⅰ型和Ⅱ型尺寸效应不能和Ⅰ型和Ⅱ型裂纹相混淆.

对于Ⅰ型能量型尺寸效应与应变率效应,KRAUTHAMMERA[1],ELFAHALA[2]等人利用落锤实验和数值模拟的方法,研究了长径比不同、直径不同的普通混凝土和高强混凝土试件,结果表明混凝土外观强度随着试件尺寸的增大而减小,但与静载条件下的尺寸效应表现不同; I. Maekawa等[3]对几何形状相似、长度不同的碳钢试件分别进行冲击脉冲加载条件下的压缩、扭转和拉伸的疲劳实验,得出与静载条件下相反的结论,即试件尺寸越小其疲劳寿命越短. 洪亮,李夕兵等[4]526-533采用半正弦应力波的加载方式,利用SHPB实验装置对花岗岩、砂岩、石灰岩进行了实验研究. 结果表明,大尺寸试件比小尺寸试件对应变率的变化更加敏感,即同样的应变率变化幅度所对应的动态强度变化幅度更大;与静态尺寸效应相反,岩石动态强度随试件尺寸增大而增加. 戚承志[5]对Ⅰ型能量型尺寸效应与应变率效应进行了研究,研究表明,裂纹扩展速度的有限性和材料复杂的内部结构层次决定了岩石类材料变形破裂的空间尺度与时间尺度之间的关系,材料变形破坏的特征尺度与特征应变率之间存在一一对应的关系,材料的动力强度可以认为是,由于裂纹扩展速度的有限性,在裂纹贯穿试件前所引起的超载,是某个尺度上强度的体现;并基于Maxwell应力松弛模型把尺寸效应方程转化为应变率效应方程,确定了试件尺寸一定时静力尺寸效应向动力尺寸效应转换的临界应变率,和应变率一定时静力尺寸效应向动力尺寸效应转换试件的临界尺[6],证明了Ⅰ型尺寸效应和应变率效应的统一性.

对于有切口试件的动态断裂韧度的研究中,李战鲁,王启智等[7]采用边切槽式样,从断裂力学理论分析了岩石的动态破坏,发现在加载速率 18.85×104 MPa·m1/2s-1以下,大理岩的动态断裂韧度随着加载速率的增大而增加,但增加的趋势逐渐减弱,这与实际岩石断裂韧度有最大极限值的情况相符,即当加载速率达到一定值时,岩石的断裂韧度将不会再上升. 张盛,王启智等[8]采用孔槽式巴西圆盘对岩石的动态断裂韧度进行了研究,得到了断裂韧度测试值随着尺寸增加而增大的结论,但其加载速度为一定范围内的值,并未能在同等加载速度情况下对尺寸效应进行对比解释. 宫凤强,陆道辉,李夕兵等[9]采用大理岩制作中心直裂纹半圆盘研究了预静载条件下硬岩受动力扰动的断裂特性变化规律,发现在循环加卸载实验条件下,增加循环次数,岩石断裂韧性会增加;在高频扰动条件下,随着扰动频率的增加,岩石动态韧度会较小. 王洪森等[10]利用尺寸效应公式,建立了岩石的起裂韧度和加载率之间的模型,该模型可以模拟岩石类材料裂纹开裂尖端的断裂过程区面积随着裂纹的扩展速度的增高而增大,从而确定岩石的起裂韧度随着加载速度的增大而增高.

第一,高校要根据时代发展对学生的新要求进行教育理念的转变,让学校的教育跟上时代需求。在对大学生的思想教育工作中,教育者要具有先进的教育理念和超前意识,摒弃传统的“填鸭式”教学,积极向“向双互动”交流方式转变。

综上所述,目前对尺寸效应的研究主要集中在Ⅰ型,而对Ⅱ型能量型尺寸效应与应变率效应缺乏系统研究,就目前掌握的材料,没有采用国际岩石力学学会建议的带初始裂纹半巴西圆盘对进行Ⅱ型能量型尺寸效应与应变率效应进行系统的对比研究. 本文对Ⅱ型能量型尺寸效应与应变率效应进行了系统的动态实验研究.

无畏派希望我们能全力以赴,这点我并不觉得惊奇,出入意料的是只休息六个多小时就要上场。现在我的身体还没从睡眠中恢复过来呢。

1 实验装置及试样制备

1.1 实验装置

本次实验在陆军炮兵防空兵学院(原陆军军官学院)先进材料实验室进行. 实验采用75 mm直径分离式霍普金森压杆系统,子弹和杆件均为钢质,弹性模量为2.06×105 N/mm2, 纵波波速5 196 m/s. 子弹长度600 mm,入射杆长5 500 mm,透射杆长3 500 mm. 入射杆触发应变片位于距离杆头700 mm处,测量应变片距离试件3 120 mm,透射杆应变片位于距离试块处杆端1 850 mm的位置.

图1 霍普金森杆加载系统

式(3)中:

实验中3点弯曲的加载方式通过入射杆的端面和接在透射杆端的垫块实现. 对垫块中部及两端切槽,以解决试块飞出时与垫块的碰撞的问题,利于试块回收,且防止试件在旋转飞离的过程中与垫块发生2次碰撞影响实验有效性. 在垫块上试块两侧贴橡胶垫片保护棱条,防止入射杆的重复加载对棱条的损伤.

图2 垫块及放置示意图

实验的触发及信号纪录逻辑图如图3所示.

图3 实验逻辑图

1.2 试样制备

对于入射杆杆端力P1和透射杆杆端力P2,有如下计算公式:

根据SCB实验建议的方法,对岩石试样进行加工. 实验材料选择莱姆石,产地湖北宜昌,实验所用石材均为同一批次石材,平均密度2.60 g/cm3. 采用标准测试方法对该批次试件进行测试,得到试件抗拉强度(劈裂)12.90 MPa,单轴抗压强度49.90 MPa. 经超声检测仪测的该批次石材平均纵波波速5 360 m/s.

选用R=25 mm,37.5 mm,43.5 mm,50 mm的莱姆石岩芯试样. 选择该4种尺寸的原因是因为如果采用过小尺寸试件的测试结果精度难以保证. 洪亮[4]532建议合理的试件直径至少应在36 mm以上.

用岩石切片机将上述4种试块对应切成厚度为20,30,34.8,40 mm的圆盘. 将圆盘切成2个半圆盘试样,用1 mm的金刚线在圆盘底部中心位置加工长度为0.2R的预制裂纹. 陈勉[17]提出,预制裂缝的裂尖半径至少应小于0.4 mm,超过这个数值后无法采用断裂力学理论进行分析. 故最后用0.3 mm的金刚线对裂尖进行精细加工磨尖.

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在焙烧—水浸—酸浸—钯萃取过程中铂损失比较小,解决原有工艺存在铂分离困难的重点是,通过试验研究解决中和工序中和渣导致铂损失的问题。因此,新工艺采用氯化铵沉淀法对萃钯余液进行了试验,探索用氯化铵沉淀法提取料液中铂的新途径。

其中:εi为入射杆上的应变片记录的入射波应变信号,εr为反射波应变,εt为透射杆上的应变片记录的透射波应变信号,A为钢杆截面积,E为钢杆的弹性模量.

2 实验过程

2.1 动态力平衡

实验对系统采用脉冲整形技术,以保证试件动态力平衡. 采用1枚2 mm厚橡胶片作为整形器,将入射波从矩形波整形为正弦波,这样原来陡峭的上升沿变缓,以使试样2端有足够时间达到动态力平衡. 同时一定程度上减少入射波的高频震荡.

目前可用于岩石动态断裂韧度测试方法较多,因此需要先选择及确定实验方法. 如中心直裂纹巴西圆盘[11],中心圆孔裂纹平台巴西圆盘[12],平台巴西圆盘[13],人字形切槽巴西圆盘[14],以及巴西半圆盘[15]. 其中,巴西半圆盘(the semi-circular bend)试样由 K.P.Chong和 M.D.Kuruppu在 1984 年首次提出,由于该结构简单,加工相对较为容易和准确,实验操作简便,所以已经广泛应用在岩石等脆性材料的断裂韧度测试,在2012年被推荐为岩石动力性能测试的建议试样[16]105-112. 因此,本文实验采用该式样作为测试试样.

P1=AE(εi+εr),P2=AEεt.

(1)

为了后期DIC图像的处理,每个试件在实验前进行喷斑,采用哑光黑漆和哑光白漆交替喷涂. 传统方案以白色亚光漆作为底色,实际操作中对喷涂方法进行改良,并规范喷涂步骤:1)喷黑色较大颗粒漆;2)喷白色较大颗粒漆;3)喷黑色较细漆;4)喷白色较细漆. 一般4次喷涂之后即可得到合适散斑. 喷漆的颗粒大小按压力度控制,实验中采用喷漆枪控制喷涂力度. 喷漆时离试块20~30 cm喷漆口保持水平,使喷出的漆均匀散落在试块表面. 散斑宽度在5个像素点左右会取得较好的DIC处理结果.

2005—2006 年,对各组合 F2-3分离世代的不育株率进行田间调查,其中 0176A×2513、0176A×28-7 和0176A×94-2等组合的不育株率超过60.0%。从这些组合的分离世代中选取大量可育株与0176A不育株成对杂交,同时可育株父本进行自交。

本文对带预制裂纹的、几何形状相似的岩石试样进行分批次SHPB冲击试验. 实验过程中充分考虑了试件2端的应力平衡问题,通过对4种尺寸试件的分批实验,分别控制了变量进行了对比研究. 通过峰值加载力的数值和SPHB试验中达到应力平衡的假设,得到该批材料的动态断裂韧度.

图4为一次典型实验中两个测量应变片的应变值与时间曲线. 由式(1)可知,试样顶端的动态加载力P1与入射波应变和反射波应变之和成正比,而另一端的动态加载力P2与透射波应变成正比. 实验中P2由两条支撑棱分担. 由图4可以看出,入射波、反射波叠加后与透射波曲线几乎重合,在整个动态加载过程中,试样两端的动态加载力几乎是相等的. 试样中没有可以引起惯性力的不平衡因素,惯性效应得以消除.

图4 典型加载过程中动态平衡曲线

2.2 断裂韧度与加载率

由于试样两端满足动态力平衡,所以采用准静态公式来计算应力强度因子. 参照动态强度参数计算的标准方法,本文应力强度因子表示为[16]105-112

(2)

其中:

(3)

经过加压后的气体,在瞬间释放后推出子弹,撞击入射杆后产生入射波,通过入射杆将该压缩波传到试件处,在试件处产生反射压缩波和透射压缩波,经过电桥的信号放大后,由示波器记录半导体应变片上电压信号.

αa=a/R,αs=s/2R.

其中:R为试件半径, a为裂缝长度,s为两条支撑棱之间的距离,B为样品的厚度,P(t)为加载历史,Y(αa)是试样几何构型函数,为无量纲函数,其值取决于裂纹几何形状. 动态强度测试标准方法中给出了αs=0.6时Y的计算方法,本次实验采用该数值.

1.创造性思维水平分布: 按高创造性思维水平划分,A组占15.8%(54/341),B组占84.2%(287/341)。

2.3 试件破坏过程

在冲击荷载作用下,在端面调平、试件放置位置准确的情况下,试件会分成均等2块以顶点为圆心向两侧旋转飞出,下图为高速相机的拍摄图片.

在混播群落中,除存在遮荫胁迫外,还存在种间资源竞争胁迫,而不同植物种类对种间竞争胁迫的响应不同。马娇等[25]研究发现,高羊茅、草地早熟禾和多年生黑麦草混播草坪草对丝茅入侵的生理响应存在显著的种间差异,丝茅密度越大对草坪草伤害越大,本试验与马娇等[25]、吕晋慧等[23]报道结论相似。苜蓿-无芒雀麦、苜蓿-虉草2∶2混播,禾草与苜蓿均具有较高的SOD、POD活性和较低的MDA含量,表明这两种混播草地禾草与苜蓿受种间竞争胁迫伤害相对较小。

图5 试件的放置与破裂情况

3 实验结果及分析

3.1 实验结果

首先对形状大小相同、应变率不同的数据进行分析. 实验中通过调整释放子弹前的储气气压而改变加载速度. 在实验过程中将气压控制在5个固定数值以对比实验数据的正确性. 每种相同的气压值根据实验结果的离散度和成功率,做5~10个样本. 由于岩石材料自身非均质和霍普金森杆系统自身固有的误差,相同加载条件并不能保证加载速率完全相同,但是可以将其控制在一个相对较小的范围内.

图6 不同尺寸试件断裂韧度- 加载速度关系

3.2 结果分析

图6所示为形状大小相同的试件,在不同释放气压(即不同加载速度)下加载得到的数据. 需要说明的是,图中结果均为起始断裂韧度. 4种半径试件加载速度为10~700 MPa·m1/2·s-1,计算出其断裂韧度为2~25 MPa·m1/2,不同尺寸的实验结果范围略有不同但大致在同一范围内. 实验中,随着加载速度的增大,试件的起裂韧度的离散性会越来越大. 结果表明,该岩石试件的断裂韧度随着加载速率的提高而呈近似线性提高.

综上所述,医学模拟技术在鼻腔鼻窦解剖理论形象化、立体化,并快速有效的提高鼻科医师鼻内镜鼻窦外科技术水平方面具有不可比拟的优势。在鼻科医师培养过程中,必须充分重视医学模型中鼻内镜鼻窦技术的规范化、标准化操作流程。在实际操作中,明确鼻内镜下鼻窦外科技术的要点,规范化掌握鼻内镜手术技术,养成精细化、规范化的手术习惯。

实验的加载速度最高不超过700 MPa·m1/2·s-1,其原因并非是该加载系统不能提供更高的释放气压,而是在于过高的加载速度会导致试块除了从裂缝尖端开裂之外,也会从垫块上3 mm支撑棱与试块接触的位置开裂,使得实验脱离了本身设置的单一起裂的本质. 其他不同性能的材料在带初始裂纹半巴西圆盘实验时,也会有对应的加载速度极大值,数值大小由支撑棱直径和材料抗拉强度(劈裂)决定.

图7 岩石断裂韧度的尺寸效应

图7为图6所示4种形状相同,大小不同的试件的数据及拟合曲线. 如图所示,在横坐标加载速度一定的情况下,该岩石试件的起始断裂韧度随着尺寸的增大而增大,且加载速度越大,起始断裂韧度的增幅越大,即随着应变率增高,动态强度对尺寸变化越来越敏感. 该结果表明该岩石试件存在明显的动态Ⅱ型能量型尺寸效应. 这与Bazant等[18]提出的岩石等准脆材料Ⅱ型静态尺寸效应的类似 . 而Ⅰ型能量型尺寸效应在动态高应变率情况下动态强度随试件尺寸增大而增加,与静载条件下岩石的尺寸效应相反. 证明了动态静态条件下Ⅱ型能量型尺寸效应与Ⅰ型的规律不同. 在静载和动载条件下Ⅰ型和Ⅱ性尺寸效应随试件尺寸的变化所表现出的尺寸效应不同的物理机理需要进一步研究.

4 结论

张奎良批判了对于共产主义的经验性理解和认识,依据马克思哲学文本,提出共产主义是实体境界、形上境界和实践境界的三维合一。其中实体境界其核心内容是完善的社会制度;形上境界即哲学共产主义境界,其核心是人的彻底解放和对人的终极关怀;共产主义的实践境界是把现实斗争和共产主义未来结合起来的现实运动。[10]

结果表明,该岩石存在明显的Ⅱ型能量型尺寸效应与应变率效应,随着加载速度的增大该岩石起始断裂韧度近似呈线性增加. 同时,在加载速度一定的情况下,起始断裂韧度随着尺寸增大而增加,且加载速度越大该尺寸效应越明显. 证明了Ⅱ型能量型尺寸效应与Ⅰ型的规律不同:Ⅰ型能量型尺寸效应在静态时随尺寸增大材料强度减小,在动态情况下随着尺寸增大强度增大;而Ⅱ型能量型尺寸效应在动静态情况下,起裂韧度均随尺寸增大而增大.

唐飞霄隐在丛丛钢铁之后,目光一凛。对未知的恐惧,更激发了他的狠劲,他在心中暗骂一声:纵然是鬼,今天也要让你灰飞烟灭!

参考文献

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载氧体量过少不利于生物质热解和气化,需外加热量为燃料反应器提供能量;当载氧体过量时,生物质将完全氧化,碳转化为CO2,氢转化为H2O,这对高H2/CO比合成气制备极为不利。因此,需合理选择载氧体量[29]。本研究中生物质化学式可简化为CH1.70N0.72O0.76,如生物质在载氧体Fe2O3上气化,并分别转化为CO、H2和FeO,则理论Fe2O3/C比为0.244;如生物质完全氧化为CO2和H2O,则Fe2O3/C比为2.0。因此考察了Fe2O3/C比在0 ~ 2.4范围内的影响,TFR设为825℃,无水蒸气添加。为强化对CO2的捕集,将CaO/C比设定为1.0,结果如图4所示。

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5.在使用错题本时,可以使用不同颜色的笔,以便区分不同的信息。比如用黑色抄题干、蓝色作答、红色作为备注;

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依据淋巴结有无转移进行亚组分析发现,PCa盆腔淋巴结转移与PSA水平、Gleason评分、PI-RADS评分、临床分期、胞膜、精囊侵犯和PLAGL2 表达水平有关联(表2)。表3示,PLAGL2表达水平和Gleason评分是PCa淋巴结转移的独立危险因素。

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朱华挺,戚承志,姜锡权,孙友杰
《北京建筑大学学报》2018年第1期文献

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