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研究生: 郭俊志
Kuo, Chun-Chin
論文名稱: 砂岩與壓克力複合型裂紋擴展機制之研究
The Study of Crack Propagation of Sandstones and PMMA under Mixed Fracture Modes
指導教授: 王建力
Wang, Chein-Lee
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 資源工程學系
Department of Resources Engineering
論文出版年: 2009
畢業學年度: 97
語文別: 中文
論文頁數: 87
中文關鍵詞: 裂紋擴展速度斷裂韌度裂紋
外文關鍵詞: fracture toughness, crack, velocity of crack growth
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  • 本研究針對砂岩石材及 PMMA 板材切割成矩形塊試體,以單軸抗壓實驗求取砂岩及PMMA 板材在不同預製裂縫角度之斷裂韌度及破壞機制,在試驗過程中使用裂紋量測系統量測裂紋擴展速度。本研究並以有限元素法軟體ABAQUS 驗證不同角度下應力強度因子的計算結果,將其數值解與解析解結果進行比較。
    研究結果顯示:(1)在兩種材料裂紋擴展形式中可發現在加壓過程中試體先有翼裂紋及反翼裂紋擴展,而後才有次生裂紋的產生。(2)砂岩試體預製裂縫角度越大,最大應力隨之增大;裂紋擴展角則越小;裂紋擴展速度越快,破壞機制為KI 與KII 之複合形式破壞。(3)PMMA 試體預製裂縫角度越大,最大應力值無明顯變化;裂紋擴展角則越大;裂紋擴展速度越慢,破壞機制為KI 與KII 之複合形式破壞。(4)以ABAQUS 軟體模擬預製複合型裂紋施加荷重之單軸抗壓試驗,所得之斷裂韌度數值解與Kitagawa 所得之解比較結果部份,誤差在4.35%之內。

    This study proposes to observe the fracture propagation in a plate sample containing an inclined crack under a uniaxial compression test. Two different
    materials: sandstone and PMMA, were investigated. A crack measuring system was also deployed to measure the velocity of crack growth. A finite element package, ABAQUS, was used in this study to calculate the fracture toughness of the cracked samples.
    The findings of this study are: (1) On the observation of the crack growth of the sample, the wing crack is formed first and then followed by the anti-wing crack. (2) For sandstone samples, higher pre-crack angles lead to
    higher ultimate stress, lower angle of crack growth and higher velocity of crack growth. The mixed mode of fracture, KI and KII , is observed in the test. (3) For PMMA samples, higher pre-crack angles do not significantly affect the ultimate stress while higher angles of crack growth lead to lower velocity of crack growth. The mixed mode of fracture, KI and KII, is observed in the test. (4) Numerical results of fracture toughness obtained from ABAQUS are compared with Kitegawa’s solutions. The discrepency between the numerical solutions and Kitegawa’s solutions is under 4.35 %.

    摘要…………………………………………………………………… I Abstract…………………………………………………………… II 誌謝………………………………………………………………… III 目錄………………………………………………………………… IV 表目錄……………………………………………………………… VII 圖目錄…………………………………………………………… VIII 第一章 緒論…………………………………………………………… 1 1-1 研究動機與目的………………………………………………… 1 1-2 研究流程與內容………………………………………………… 2 第二章 文獻回顧……………………………………………………… 5 2-1 岩石材料………………………………………………………… 5 2-2 其它材料………………………………………………………… 6 2-3 數值分析………………………………………………………… 9 第三章 基本理論…………………………………………………… 11 3-1 單軸壓縮試驗…………………………………………………… 11 3-2 複合型裂紋的形式……………………………………………… 13 3-3 複合型裂紋應力強度因子的解析解…………………………… 15 第四章 試驗方法………………………………………………… 18 4-1 試體準備……………………………………………………… 18 4-2 單軸壓縮試驗………………………………………………… 19 4-2-1 試體製備…………………………………………………… 19 4-2-2 單軸壓縮試驗設備………………………………………… 21 4-2-3 試驗步驟…………………………………………………… 23 4-3 含複合型裂紋單軸壓縮試驗………………………………… 24 4-3-1 試體製備…………………………………………………… 24 4-3-2裂紋量測系統………………………………………………… 26 4-3-3 含複合型裂紋單軸壓縮試驗……………………………… 27 4-3-4 試驗步驟…………………………………………………… 28 第五章 數值模擬………………………………………………… 30 5-1 有限元素軟體-ABAQUS簡介…………………………………… 30 5-2 模擬破裂力學問題相關設定………………………………… 32 5-3 案例分析-砂岩及PMMA複合型裂紋試驗模擬……………… 35 5-3-1 案例分析I結果……………………………………………… 38 5-3-2 案例分析II結果…………………………………………… 39 第六章 結果與討論……………………………………………… 42 6-1 砂岩及PMMA基本力學性質…………………………………… 42 6-2 砂岩石材複合型裂紋試驗結果……………………………… 43 6-2-1 砂岩各角度裂紋擴展機制………………………………… 43 6-2-2 砂岩裂紋擴展速度………………………………………… 47 6-2-3 砂岩裂紋起裂擴展角……………………………………… 48 6-2-4 砂岩裂紋斷裂韌度………………………………………… 49 6-2-5 砂岩試體破壞情況………………………………………… 51 6-2-6 砂岩裂紋破壞面情況……………………………………… 52 6-3 PMMA板材複合型裂紋試驗結果……………………………… 53 6-3-1 PMMA各角度裂紋擴展機制………………………………… 53 6-3-2 PMMA裂紋擴展速度………………………………………… 57 6-3-3 PMMA裂紋起裂擴展角……………………………………… 58 6-3-4 PMMA裂紋斷裂韌度………………………………………… 58 6-3-5 PMMA試體破壞情況………………………………………… 60 6-3-6 PMMA裂紋破壞面情況……………………………………… 61 6-4 試驗結果與探討……………………………………………… 62 6-4-1 砂岩與PMMA板材裂紋擴展速度之比較…………………… 62 6-4-2 砂岩與PMMA板材起裂擴展角之比較……………………… 63 6-4-3 砂岩與PMMA板材斷裂韌度之比較………………………… 64 6-4-4 砂岩與PMMA板材裂紋破壞面情況之比較………………… 65 6-4-5 砂岩與PMMA板材破壞參數之比較………………………… 66 第七章 結果與建議……………………………………………… 67 7-1 結論…………………………………………………………… 67 7-2 建議…………………………………………………………… 70 參考文獻………………………………………………………… 72 附錄……………………………………………………………… 74

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    下載圖示 校內:2011-08-13公開
    校外:2014-08-13公開
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