煤Ⅰ型动态断裂裂纹扩展规律试验与数值模拟研究

摘要：

为研究冲击速度、层理角度及切缝深度对煤样Ⅰ型动态断裂裂纹扩展速度与扩展路径等断裂特性的影响,结合分离式霍普金森压杆(SHPB)试验和基于连续-非连续单元方法(CDEM)的数值模拟,对3种切缝深度的直槽半圆弯曲煤样(NSCB)开展不同层理角度和多种加载速率下的Ⅰ型动态断裂测试与数值模拟研究.得到煤样在冲击载荷下裂纹萌生、演化、扩展及贯通的渐进破坏全过程,模拟与试验结果吻合较好,证明CDEM数值模拟方法能够较好地模拟煤样Ⅰ型动态断裂从连续到非连续的渐进破坏过程.研究表明:煤样裂纹瞬时扩展速度随时间变化波动性较大,前期扩展较快,后期扩展较慢,可将试件裂纹扩展分为高速扩展阶段和稳速扩展阶段;冲击速度对裂纹平均扩展速度影响最大,切缝深度次之,层理角度影响最小.裂纹平均扩展速度随冲击速度增大而增大,但渐趋于平缓,而随切缝深度增加逐级降低.并在忽略层理角度影响的情况下,得出冲击速度与切缝深度对裂纹平均扩展速度的双因素预测模型;冲击速度越大,裂纹起裂时间越短,但其对裂纹扩展路径影响很小.层理角度对裂纹起裂时间基本没有影响,但对裂纹扩展路径影响较大.层理角度为0°和90°时,煤样裂纹最为平直,层理角度为22.5°,45.0°和67.5°时裂纹较弯曲,出现沿层理面扩展现象.

关键词：直切槽半圆弯曲、裂纹扩展速度、SHPB试验、层理角度

分类号：TD313(矿山压力与支护)

资助基金：国家自然科学基金资助项目51874312,51861145403

在线出版日期：2021-02-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共12页

页码：3961-3972