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Jun ZHANG, Lin-qi HUANG, Zhi-xiang LIU, Xi-bing LI. Peridynamic simulation of rock failure with surface flaw under dynamic loading[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2024, 34(7): 2313-2327.
研究背景
岩石的表面和内部存在着很多不同的裂隙，这些裂隙大多是三维形式的，同时岩石经常会受到不同动态载荷的作用，三维裂隙的存在会对岩石的破坏造成影响。然而，现有的文献中对动态加载下岩石三维裂纹扩展的研究相对较少。由于岩石不可透视，本文基于前期动态加载下含表面裂纹岩石的试验结果，通过弹塑性态基近场动力学模拟了动态加载下含表面裂纹岩石的破坏，分析了表面裂纹角度和深度对岩石动态力学特性和裂纹扩展的影响规律，为岩石工程中提高破岩效率和灾害防控提供参考。
文章亮点
使用考虑压缩和拉伸强度比的弹塑性常规态基近场动力学，模拟了动态加载下含不同角度和深度三维表面裂纹岩石的破坏，揭示了试样内部三维裂纹的扩展规律。
图文解析
岩石是一种抗压强度远大于抗拉强度的材料，破坏时对应的压缩应变和拉伸应变也存在较大差距。此外，岩石材料还存在塑性特征。本文使用了如图1所示的考虑压缩和拉伸强度比的弹塑性常规态基近场动力学破坏准则，拉伸伸长率为正，压缩伸长率为负，对特征函数进行了相应的修改，并重新编写了破坏准则的代码。
图1 弹塑性破坏准则（scc为临界压缩伸长率；stc为临界拉伸伸长率）
图2所示为近场动力学模拟使用的模型，与试验中使用的含表面裂纹试样保持一致。每个模型约为720000个物质点。
图2 试样模型设置
图3 含不同角度和深度表面裂纹试样动态强度的模拟和试验结果
图3为含不同角度和深度表面裂纹试样的模拟和试验的动态强度结果，动态强度的模拟结果与试验结果吻合较好。含三个不同深度表面裂纹试样的模拟结果都在表面裂纹角度为0°时强度最小，角度为90°时强度最大。试样的强度都随着表面裂纹角度的增大而增大。表面裂纹深度更大时，试样的强度随表面裂纹角度的增大更显著。表面裂纹角度小于60°时，试样的动态强度随着表面裂纹深度增大而明显减小。表面裂纹角度为75°和90°时，表面裂纹的深度对试样强度的影响减小。
图4 表面裂纹深度d = 10 mm，角度为30°试样的破坏过程
为了研究内部裂纹扩展过程，用垂直于x轴的平面对不同时间点的模拟结果进行切片，考虑到试样和加载条件的对称性，均对x=0、4、8和12 mm处进行切片。图4是含角度为30°，深度d = 10 mm表面裂纹试样的破坏过程。由108 μs时在试样x = 0和4 mm处的切片可知，试样表面的裂纹和试样内部的壳裂纹各自起裂，试样表面的裂纹扩展长度大于试样内部裂纹的扩展长度，表明试样表面的裂纹比试样内部的裂纹起裂时间更早且更容易扩展。此外，在试样表面观察到的翼裂纹和反翼裂纹深入试样一定深度。在122 μs时，由x = 8mm处的切片可知，表面的裂纹和壳裂纹产生连接，壳裂纹沿着加载方向同时向试样的上部和下部扩展。在136 μs时壳裂纹扩展到试样的端部。
图5 表面裂纹深度d = 20mm，角度为45°试样的破坏过程
图5是含角度为45°，深度d = 20 mm表面裂纹试样的破坏过程。由108 μs时在试样x = 0和4mm处的切片可知，与深度d = 10 mm的试样类似，试样表面的裂纹的扩展长度大于内部壳裂纹的扩展长度。试样表面产生的翼裂纹和反翼裂纹同样深入试样一定深度，但是d = 20 mm深入的深度比d = 10 mm的大。这表明试样表面翼裂纹和反翼裂纹扩展的深度与表面裂纹的深度有关，该深度随着表面裂纹深度的增大而增加。内部壳裂纹的起裂位置在试样内部表面裂纹的端部，比深度d = 10 mm的试样更深。由122 μs时x = 8 mm处的切片可知，表面的裂纹与内部壳裂纹开始连接，与d = 10 mm类似，0°试样同时产生连接，而45°试样的翼裂纹先和壳裂纹产生连接。
通过对模拟结果中物质点的损伤数值进行筛选，取损伤大于0.85的物质点为裂纹，观察试样的内部裂纹和最终破坏模式。图6为含角度为0°、45°和90°，深度d = 20 mm表面裂纹试样的内部裂纹和最终破坏模式。由图可见，表面裂纹角度为为0°时，试样内的壳裂纹扩展到试样的顶部和底部。由于表面裂纹更深，壳裂纹比d = 10 mm时略小，但是试样表面形成的裂纹的深度更大，两者连接形成了类似含深度d = 10 mm表面裂纹试样的半开口喇叭状的三维裂纹。表面裂纹角度为45°时，翼裂纹最先扩展到试样的顶部和底部，壳裂纹与翼裂纹和反翼裂纹连接，在试样的后部形成与前表面类似的剪切裂纹，试样内形成三维剪切主裂纹。表面裂纹角度为90°时，在表面裂纹周围出现环绕裂纹，环绕裂纹的深度比含深度d = 10 mm表面裂纹的试样大，“X”型裂纹的深度接近试样深度。
图6 深度d = 20mm试样的内部裂纹和破坏模式
研究结论
团队介绍
李夕兵，教授、博士生导师，国家杰青、长江学者、领军人才。主要从事金属矿采矿与岩石动力学方面的研究，提出了高应力岩石诱导致裂、岩石动静组合加载等原创性学术思想，在隐患资源开采、绿色无废害开采、海底基岩开采和硬岩深部开采理论与技术上取得了多方面成果，获国家自然科学二等奖1项（排名第1），国家科技进步二等奖4项（3项排名第1，1项排名第2），并以第一排名获湖南省技术发明一等奖、科学技术创新团队奖及多项行业协会科学技术一等奖，授权发明专利91项，出版学术著作8部，发表SCI论文300余篇，H指数67。
黄麟淇，教授、博士生导师，教育部青年长江学者。主要从事深部岩石力学与矿山灾害防控等方面的教学科研工作。以第一或通讯作者发表学术论文50余篇，出版《硬岩矿山微震定位理论与方法》等著作2本，获发明专利和软件著作权20余项，主持和参与制订国家行业标准3部。获得湖南省青年科技奖、中国黄金协会科学技术一等奖(1/15)、中国安全职业健康协会科技进步一等奖(2/15)、湖南省技术发明一等奖(6/6)、湖南省自然科学二等奖(5/6)、中国有色金属工业协会科学技术二等奖(4/20)等省部级科技奖励。
张俊，博士。研究方向为岩石动力学与岩石断裂力学，以第一作者在Transactions of Nonferrous Metals Society of China、Engineering Failure Analysis等期刊发表SCI论文2篇。
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消息来源：中国有色金属学报
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