Fracture mechanical properties of rock-like materials under half symmetric loading

• Autorzy: Wang Z. , Zhou J. , Li L.

Identyfikatory

DOI

10.1515/ace-2017-0041

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The authors studied the fracture mechanical properties under half-symmetric loading in this paper. The stress distribution around the crack tip and the stress intensity factor of three kinds of notched specimens under half symmetric loading were compared. The maximum tensile stress σmax of double notch specimens was much greater than that of single notch specimens and the maximum shear stress τmax was almost equal, which means that the single notch specimens were more prone to Mode II fractures. The intensity factors KII of central notch specimens were very small compared with other specimens and they induced Mode I fractures. For both double notch and single notch specimens, KII was kept at a constant level and did not change with the change of a/h, and KII was much larger than KI. KII has the potential to reach its fracture toughness KIIC before KI and Mode II fractures occurred. Rock-like materials were introduced to produce single notch specimens. Test results show that the crack had been initiated at the crack tip and propagated along the original notch face, and a Mode II fracture occurred. There was no relationship between the peak load and the original notch length. The average value of KIIC was about 0.602 MPa×m1/2, and KIIC was about 3.8 times KIC. The half symmetric loading test of single notch specimens was one of the most effective methods to obtain a true Mode II fracture and determine Mode fracture toughness.

PL

W niniejszej pracy przedstawiono właściwości mechaniczne pękania materiałów skalnych pod półsymetrycznym obciążeniem, w wyniku połączenia analizy teoretycznej, symulacji numerycznych oraz badań eksperymentalnych. W celu ujawnienia mechanizmu uszkodzenia, przygotowano trzy rodzaje próbek z karbem pod półsymetrycznym obciążeniem i zbadano rozkład naprężeń wokół pęknięcia podczas procesu obciążenia. Przyjęto metodę integralnej interakcji oprogramowania elementów skończonych ANSYS w celu obliczenia współczynnika intensywności naprężenia (SIF). Ponadto, wprowadzono pojedynczy element pęknięcia oraz element płaszczyzny 183 w strefie bez pęknięć. Zgodnie z analizą numeryczną i wynikami badań eksperymentalnych, maksymalne naprężenie rozciągające podwójnych próbek z karbem okazało się znacznie większe niż w przypadku pojedynczych próbek z karbem, a ich maksymalne naprężenie ścinające było prawie takie samo, co oznacza, że pojedyncze próbki z karbem były bardziej podatne na pęknięcie w trybie II. Współczynniki intensywności KII środkowych próbek z karbem były bardzo niskie w porównaniu z innymi próbkami oraz tymi, które wywoływały pęknięcia w trybie I. Zarówno w przypadku próbek z podwójnym i pojedynczym karbem, KII zostało utrzymane na stałym poziomie i nie uległo zmianie wraz ze zmianą a/h, a ponadto KII było znacznie większe niż KI. KII może potencjalnie osiągać odporność na kruche pękanie KIIC przed KI. W rezultacie mamy do czynienia z pęknięciami w trybie II. Wprowadzono materiały skalne w celu wytworzenia próbek z pojedynczym karbem. Pęknięcie rozpoczęło się na samej górze i rozprzestrzeniało się wzdłuż pierwotnej powierzchni karbu, w wyniku czego wystąpiło pęknięcie w trybie II. Nie zaobserwowano zależności pomiędzy szczytowym obciążeniem i oryginalną długością karbu. Średnia wartość KIIC była około 3,8 razy większa niż wartość KIC. Pęknięcia w górnej części były znacznie większe niż w innym miejscu, co oznacza, że koncentracja naprężeń pęknięcia w górnej części była oczywista, co z kolei może prowadzić do pęknięcia. Kąt maksymalnego głównego naprężenia wyniósł około 30°, co było zgodne z pęknięciem w trybie I w warunkach czystego obciążenia ścinającego. Badanie półsymetrycznego obciążenia próbek z pojedynczym karbem okazało się być jedną z najskuteczniejszych metod uzyskiwania prawdziwego pęknięcia w trybie II i określenia odporności na kruche pękanie.

Słowa kluczowe

EN

half symmetric loading; mode II fracture; fracture toughness; rock-like material; interaction integral method

PL

obciążenie półsymetryczne; pęknięcie w trybie II; odporność na kruche pękanie; materiał skalny; metoda integralnej interakcji

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 63, nr 4
• Strony: 71--82
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Wang Z.

• Zhengzhou University, School of Mechanics & Engineering Science, Zhengzhou, China

autor

Zhou J.

• Zhengzhou University, School of Mechanics & Engineering Science, Zhengzhou, China

autor

Li L.

• Zhengzhou University, School of Mechanics & Engineering Science, Zhengzhou, China

Bibliografia

• 1. Huang J A, Wang S: "An experimental investigation concerning the comprehensive fracture toughness of some brittle rocks", International Journal of Rock Mechanics & Mining Science & Geomechanics Abstracts 22(2):99-104, 1985.
• 2. Schlangen E, Mier J G M V, "Crack propagation in sandstone: Combined experimental and numerical approach", Rock Mechanics & Rock Engineering 28(2): 93-110, 1995.
• 3. Petit J P, "Normal stress dependent rupture morphology in direct shear tests on sandstone with applications to some natural fault surface features", International Journal of Rock Mechanics & Mining Science & Geomechanics Abstracts 25(6):411-419, 1988.
• 4. Watkins J, "Fracture toughness test for soil-cement samples in mode II", International Journal of Fracture 23(4):135-138, 1983.
• 5. Bazant Z P, Pfeiffer P A, "Shear fracture tests of concrete", Materials and Structures 19(2):111-121, 1986.
• 6. Zhi Wang, Jianhua Hou, Chaoya Wang, Fei Yang, “An Implementation Method of Shear Plane Fracture of Multi-Crack Rock Under Compression Shear Loading”, Electronic Journal of Geotechnical Engineering (21.12) : 4595-4602, 2016
• 7. Lo K W, Gong Y B, Tamilselvan T, "A proposed specimen for KIIC testing", International Journal of Fracture 124(3/4):127-137, 2003.
• 8. Shen Xinjin, Feng Jinlong, Dai Shuhong, "Study on influence of boundary conditions on results of four point shear concrete spekles experiments", Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering 27(2): 3528-3534, 2008.
• 9. Xu Shilang, Zhao Yanhua, "Numereical simulation of mode fracture and failure processes in concrete by 3-dimensional nonlinear FEM", Journal of Hydroelectric Engineering 23(5):15-21, 2004.
• 10. Deng Aiming, Guo Lianmeng, Xu Daoyuan, "Comparative research on fracture toughness KIIC of two types of mode-II concrete specimens", Journal of disaster prevention and mitigation engineering 33(2):190-193, 2013.
• 11. Hu Shaowei Hu Liang, "Comparative study on shear fracture process of concrete with two different loading methods", China Civil Engineering Journal 49(6):25-31, 2016.
• 12. Chen Z Z, Tokaji K, "Effects of particle size on fatigue crack initiation and small crack growth in SIC particulate-reinforced aluminum alloy composites", Materials Letters 58:2314-2321, 2004.
• 13. Liu X Y, Xiao Q Z, Karihaloo B L, "XFEM for direct evaluation of mixed mode SIFs in homogeneous and bimaterials", International Journal for Numerical Methods in Engineering 59(8):1103-1118, 2004.
• 14. Daimon, Ryutaro, Okada, Hiroshi, "Mixed-mode stress intensity factor evaluation by interaction integral method for quadratic tetrahedral finite element with correction terms", Engineering Fracture Mechanics, 115:22-42, 2014.
• 15. Chiaramonte Maurizio M, Shen Yongxing, KeerMLeon M, Lew Adrian J, "Computing stress intensity factors for curvilinear cracks", International Journal for Numerical Methods in Engineering 104(4):260-296, 2015.
• 16. Kim J H, Paulino G H, "The interaction integral for fracture of orthotropic functionally graded materials: Evaluation of stress intensity factors", International Journal of Solids and Structures 40:3967-4001, 2003.
• 17. Amit, K.C., Kim, J.-H, "Interaction integrals for thermal fracture of functionally graded materials", Engineering Fracture Mechanics 75: 2542-2565, 2008.
• 18. GONG Jing-quan, ZHANG Shao-qin, LI He, ZHANG Chen-yu, "Computation of the Stress Intensity Factor Based on the Interaction Integral Method", Journal of Nanchang Hangkong University: Natural Sciences 29(1):42-48, 2015.
• 19. WANG Zhi, RAO Qiuhua, XIE Haifeng, "Experimental study on time-dependent stress and strain of in-plane shear (Mode II) fracture process of rock", Journal of Central South University of Technology, 15(s1): 496-499, 2008.