[發明專利]一種雙懸臂梁斷裂韌性測試裝置

有效

• 申請號: 201810027271.4
• 申請日: 2018-01-11
• 公開（公告）號: CN108303314B
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發明（設計）人: 金衍;盧運虎;陳勉;董京楠;洪國斌;楊向同;侯冰;周舟;林伯韜;王世永
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（北京）
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N3/06;G01N1/28
• 代理公司: 北京馳納智財知識產權代理事務所(普通合伙) 11367
• 代理人: 陳常美

本發明公開了一種雙懸臂梁斷裂韌性測試裝置，包括機械傳動系統、電子采集系統和數據終端處理系統，所述電子采集系統連接機械傳動系統，數據終端處理系統連接電子采集系統，所述機械傳動系統包括試樣夾持構件、拉力傳動機構和壓力傳動機構，電子采集系統包括電位數據采集卡、位移LVDT傳感器、壓力傳感器、拉力傳感器，數據終端處理系統用于對采集數據的處理、過濾和采樣操作。本發明的雙懸臂梁斷裂韌性測試裝置簡單易懂、操作便捷、測試結果準確，能夠有效記錄測量I型裂縫延伸速度、開裂位移和延伸長度等數據，為設計研究巖石斷裂韌性提供了方法基礎。

技術領域

本發明屬于油氣鉆探工程技術領域，尤其涉及一種雙懸臂梁斷裂韌性測試裝置。

背景技術

巖石材料本身性質對理解巖石碎片化過程是十分重要的，如對巖體的鉆孔、爆破、隧道掘進、切割和破碎等巖石力學設計問題上都需要考慮巖石材料特性。斷裂力學主要研究巖石材料的特性，因此對實際巖石工程設計作出了重要貢獻。近幾年來，許多專家學者通過理論分析和實驗測試方法討論巖石斷裂韌性的相關問題。斷裂力學是一種工程學科，其目的是為了定量描述由一個裂縫引發的完整材料結構破裂過程。斷裂力學中將最大允許應力與裂縫的尺寸和位置相關聯，甚至可以預測裂縫增長到臨界尺寸的速度，環境或變化的負載(疲勞)的影響。并且還可以確定裂縫快速擴展和停止移動裂縫的條件。

巖石的斷裂特性可用于預防和預測金屬、塑料、陶瓷等人造材料結構潛在的災難性失效或破壞，其對混凝土、巖石等材料開裂的應用也逐漸受到重視。歷史上，斷裂力學是材料力學強度的發展，其中結構中的應力與某些材料強度值進行比較，以確定是否發生故障。斷裂力學中的基本材料參數稱為斷裂韌性。

由于斷裂力學具體描述了裂紋的影響，并且斷裂韌性的測試實驗與普通強度測試實驗不同，所以有必要對斷裂韌性實驗提出具有的、明確的實驗樣品、實驗裝置和實驗方法。

具體來說，I型裂縫為張拉縫，II型裂縫為剪切縫。I型裂縫為斷裂力學中三種裂縫中最基本也是最重要的一種，它代表著材料抗擊張拉裂縫擴展的能力，同時表征了材料張拉裂縫擴展時與能量消耗量大小正相關的一個指數。I型斷裂韌性的值一旦確定，同時就可以確定I型裂縫擴展單位長度所需要消耗的能量，同時能夠確定I型裂縫近縫尖的全場位移、全場應變以及斷裂力學中極為重要的J積分的大小(Rice)。I型斷裂韌性對巖石的張性斷裂有著決定性作用，在淺地層水力壓裂、近井筒井壁失穩中有著重要意義。同時，在隧道挖掘過程，I型斷裂韌性值都決定著整體結構的穩定與否。

II型斷裂韌性的測試方法參考《國際巖石力學學會推薦方法》中的《國際巖石力學學會II型斷裂韌性測試推薦方法》(ISRM Suggested Method for theDetermination ofMode II Fracture Toughness)。基本方法基于圓柱形巖心，在圓柱形巖心的上下端面銑出環形窄切槽，置于壓機上進行剪切破壞測試。剪切通過上下加載位置的不同實現。具體加載方式為上端加載內圓柱，下端加載外圓環，但是其不適用于I型裂縫。

申請號為200510007695的中國發明專利公開了一種計算巖石II型斷裂韌性的方法,包括下列步驟:1)測試巖石的II型斷裂韌性；2)測試巖石的抗壓強度；3)建立巖石II型斷裂韌性計算模型；4)利用步驟3)中的計算模型獲得巖石II型斷裂韌性。該發明中獲取了準確的巖石II型斷裂韌性后,可很大程度的提高各種水力壓裂模型的預測精度。可預測水力壓裂裂縫從開始起裂、裂縫擴展過程中在地層空間的彎曲幾何形態,從而可計算出裂縫寬度分布和裂縫面摩阻大小,為壓裂支撐劑和壓裂液性能設計提供科學的基礎,可保證壓裂支撐劑有效分布在水裂裂縫面上,形成有效的泄油通道,而不是堵在井壁裂縫口處造成壓裂作業失效，但是該發明并不能測量I型裂縫延伸速度、開裂位移和延伸長度等數據。

發明內容

針對上述現有技術存在的問題，本發明提供一種雙懸臂梁斷裂韌性測試裝置，本發明的測試裝置結構簡單、操作便捷、測試結果準確，能夠有效記錄測量I型裂縫延伸速度、開裂位移和延伸長度等數據，為設計研究巖石斷裂韌性提供了裝置基礎。