動(dòng)、靜裂紋作用偏置效應(yīng)的動(dòng)焦散沖擊實(shí)驗(yàn)*

趙 勇，肖成龍，楊立云，丁晨曦，鄭昌達(dá)

（1. 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2. 北京科技大學(xué)城市地下空間工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083）

工程中常見的材料（巖石、金屬、玻璃板等）中含有各種缺陷（裂紋、孔洞等）會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)的承載能力。目前對(duì)于高加載率下材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)的測(cè)試方法主要以霍普金森壓桿或氣炮等實(shí)驗(yàn)手段為主，而對(duì)于材料遇到的低速撞擊問題，落錘加載表現(xiàn)出其特有的優(yōu)勢(shì)，操作簡(jiǎn)單、重復(fù)性好，其應(yīng)變率一般處于10?1～102s?1。在低速撞擊加載過(guò)程中，材料動(dòng)態(tài)斷裂行為承受動(dòng)荷載作用后，原有缺陷在動(dòng)荷載作用下會(huì)迅速顯現(xiàn)出來(lái)，表現(xiàn)為宏觀狀態(tài)下的損失和破壞，甚至可能會(huì)造成材料失效[1]。因此，諸多學(xué)者們對(duì)含缺陷材料的動(dòng)態(tài)斷裂行為進(jìn)行了研究。Richard 等[2]對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)中裂紋的擴(kuò)展問題進(jìn)行了研究，基于理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了幾種假設(shè)和概念。楊仁樹等[3-4]分別通過(guò)改變預(yù)制裂紋的傾斜角度以及水平預(yù)制裂紋的長(zhǎng)度，得出在動(dòng)態(tài)沖擊荷載作用下運(yùn)動(dòng)裂紋擴(kuò)展行為的變化規(guī)律。姚學(xué)鋒等[5]、Yao 等[6]利用高速攝像機(jī)，采用焦散光學(xué)方法研究了兩條邊緣平行裂紋在拉伸載荷作用下裂紋尖端的動(dòng)態(tài)斷裂參數(shù)；分析了含偏置裂紋三點(diǎn)彎曲梁在承受沖擊荷載作用下的斷裂行為。岳中文等[7]通過(guò)改變雙預(yù)制裂紋的相對(duì)位置，研究了含雙預(yù)制裂紋試件裂紋尖端擴(kuò)展速率和動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化規(guī)律。Gong 等[8]控制加載速率值作為單一變量，研究該變量對(duì)復(fù)合材料在I 型斷裂情況下動(dòng)態(tài)斷裂性能的影響及其失效機(jī)理。楊立云等[9]將含異長(zhǎng)雙裂紋有機(jī)玻璃材料作為研究對(duì)象，利用數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線系統(tǒng)研究該結(jié)構(gòu)材料在沖擊荷載作用下裂紋缺陷對(duì)裂紋起裂時(shí)間、最大擴(kuò)展速度等參數(shù)的影響。李清等[10-11]針對(duì)含預(yù)制L 形梁柱試件，分別通過(guò)改變節(jié)點(diǎn)核心區(qū)與預(yù)制裂紋距離的大小和在柱端設(shè)置不同角度的預(yù)制裂紋，研究其沖擊斷裂力學(xué)特性。Guo 等[12]利用數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了新巷道爆破開挖對(duì)不同斷面形狀相鄰巷道影響規(guī)律的模擬實(shí)驗(yàn)。沈世偉等[13]研究了多條平行預(yù)制裂紋在爆破荷載作用下裂紋的擴(kuò)展行為及應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化規(guī)律。

本文中，采用動(dòng)態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并結(jié)合幾何分形理論，研究在不同偏置距離下靜止裂紋對(duì)運(yùn)動(dòng)裂紋動(dòng)態(tài)斷裂行為的影響規(guī)律，通過(guò)比較裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子、裂紋擴(kuò)展速度、偏轉(zhuǎn)角度以及分形維數(shù)等參數(shù)，以期得到運(yùn)動(dòng)裂紋和靜止裂紋的相互作用規(guī)律，為解決生產(chǎn)生活中出現(xiàn)的實(shí)際問題提供一定的理論指導(dǎo)。

1 數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)

1.1 焦散線實(shí)驗(yàn)原理

圖1～2 分別為焦散線方法原理圖和Ⅰ型裂紋尖端載荷及焦散曲線[14-15]。如圖1 所示，當(dāng)平行光垂直照射受到外荷載應(yīng)力作用的透明試件時(shí)，由于試件受到拉、壓應(yīng)力作用，造成試件在厚度方向上發(fā)生形變，改變其折射率，從而導(dǎo)致平行光束在折射率改變的區(qū)域未能發(fā)生垂直透射，光線偏離原路徑，造成承接面上出現(xiàn)陰影區(qū)域，陰影區(qū)域即為焦散斑。

圖1 焦散線方法原理圖Fig. 1 The principle of the caustic method

圖2 Ⅰ型裂紋尖端載荷及焦散曲線Fig. 2 Load at the mode-I crack tip and the corresponding caustics curve

圖3 所示為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由激光器、擴(kuò)束鏡、雙凸透鏡（場(chǎng)鏡1、場(chǎng)鏡2）、落錘加載裝置、高速相機(jī)以及電腦組成。高速相機(jī)為日本Photron 公司生產(chǎn)的Fastcam-SA5(16G)型彩色高速相機(jī)，其自帶軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)圖像的采集和處理。激光光源為輸出功率為0～300 mW、波長(zhǎng)為532 nm的綠光光源，具有光強(qiáng)高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，可以保證在極短時(shí)間內(nèi)拍攝到清晰照片。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置相機(jī)拍攝頻率為100 000 s?1，相鄰兩張照片之間的時(shí)間間隔為10 μs。

圖3 數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 3 Digital laser dynamic caustics test system

1.2 動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子

外荷載作用下材料內(nèi)部產(chǎn)生裂紋后裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)呈現(xiàn)奇異性，動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子是表征裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量，通常采用下式[16-17]計(jì)算：

式中：Dmax為焦散斑最大直徑（如圖2 所示），該值可通過(guò)實(shí)際拍攝圖片測(cè)量后得到；F(v）為速度調(diào)節(jié)函數(shù)，在這里取F(v）≈1；z0為參考平面到試件表面的距離，根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況取z0=800 mm；c 為應(yīng)力光學(xué)常數(shù)，取c=0.85×10?10m2/N；deff為試件的有效厚度，在該實(shí)驗(yàn)條件下deff=5 mm；g 為數(shù)值因子，取g=3.17。

1.3 裂紋水平擴(kuò)展速度

為了計(jì)算裂紋水平方向的擴(kuò)展速度，將拍攝到的焦散圖像置于Photoshop 軟件中，通過(guò)量取不同圖片中焦散斑幾何中心在水平方向（x 方向）的位置坐標(biāo)，采用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：vx為該時(shí)刻裂紋擴(kuò)展沿水平方向的瞬時(shí)速度；Δdx為相鄰焦散圖像中焦散斑幾何中心沿水平方向的位移差值；Δt 為相鄰焦散圖片間的時(shí)間差，取Δt=10 μs。

2 實(shí)驗(yàn)描述

大量研究表明[18-21]，有機(jī)玻璃（polymethyl methacrylate，PMMA）在動(dòng)態(tài)載荷下的斷裂行為與巖石材料類似且材料本身具有較好的光學(xué)特性，能夠用于研究巖石的動(dòng)態(tài)斷裂問題，因此選用PMMA 作為實(shí)驗(yàn)材料。材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)：膨脹波波速cp=2 320 m/s，剪切波波速cs=1260 m/s，彈性模量Ed=6.1 GPa，泊松比ν=0.31，應(yīng)力光學(xué)常數(shù) c=0.85×10?10m2/N。試件尺寸規(guī)格為220 mm×50 mm×5 mm，在每個(gè)試件的底部邊緣中心處設(shè)置長(zhǎng)5 mm 的預(yù)制裂紋，靜止裂紋長(zhǎng)度設(shè)置為10 mm，中點(diǎn)位于試件的水平軸線。裂紋的制作統(tǒng)一采用激光切割加工而成，能夠保證裂紋制作的精準(zhǔn)，裂紋的厚度控制在0.5 mm±0.1 mm。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)6 組方案，方案之間的不同在于改變預(yù)制裂紋與靜止裂紋的偏置距離L，L 分別設(shè)置為0、2、4、6、8 和10 mm，每組方案設(shè)置3 個(gè)相同試件以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，6 組試件分別對(duì)應(yīng)編號(hào)P0-n～P10-n（n=1～3）。試件模型如圖4 所示，沖擊加載裝置如圖5 所示。

圖4 數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散實(shí)驗(yàn)試件示意圖Fig. 4 Schematic representation of the specimens used in digital laser dynamic caustics test

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 裂紋擴(kuò)展路徑分析

圖6 為實(shí)驗(yàn)后的試件斷裂結(jié)果（選取試件陰影區(qū)域），從圖中可以看出，在試件受到?jīng)_擊荷載作用后，均形成自下而上的貫通裂紋。為方便后續(xù)討論，定義由端點(diǎn)A 起裂形成的裂紋為裂紋Ⅰ，裂紋Ⅰ與靜止裂紋交匯后由端點(diǎn)C 起裂形成的裂紋為裂紋Ⅱ；裂紋Ⅰ開始起裂至與靜止裂紋相交為第1 階段，裂紋Ⅱ起裂直至貫通為第2 階段。

圖5 沖擊加載裝置Fig. 5 The impact loading device

圖6 試件斷裂形態(tài)Fig. 6 Fractural forms of specimens

根據(jù)試件斷裂結(jié)果可以看出：當(dāng)偏置距離L 在0～6 mm 之間時(shí)，裂紋的擴(kuò)展均可以視作上述2 個(gè)階段。當(dāng)L=0 mm 時(shí)，在第1 階段和第2 階段，裂紋Ⅰ、裂紋Ⅱ主要受張拉作用均為垂直起裂，表現(xiàn)為典型的Ⅰ型裂紋。隨著偏置距離L 的增大，在第1 階段，裂紋Ⅰ起裂后垂直向上擴(kuò)展至C1處發(fā)生偏轉(zhuǎn)并與靜止裂紋在C2處交匯，裂紋Ⅰ與靜止裂紋的交匯點(diǎn)C2逐漸由端點(diǎn)B 向端點(diǎn)C 移動(dòng)。圖7 所示為偏置距離L 和相對(duì)應(yīng)交匯點(diǎn)豎向坐標(biāo)值l 擬合曲線，可以看出當(dāng)L 在0～6 mm 之間時(shí)，l 隨L 變化呈近似線性相關(guān)的關(guān)系：l=1.71L。在第2 階段，裂紋Ⅱ均自端點(diǎn)C 起裂后逐漸向落錘點(diǎn)偏移。

圖7 裂紋尖端交匯點(diǎn)位置隨偏置距離的變化Fig. 7 Change of crack tip vertical coordinate intersection point with offset distance

當(dāng)偏置距離L 在8～10 mm 之間時(shí)，裂紋Ⅰ自端點(diǎn)A 形成后，垂直向上擴(kuò)展至C3處發(fā)生偏轉(zhuǎn)，未與靜止裂紋交匯而是呈拱狀不斷向試件上邊緣擴(kuò)展直至貫穿試件。可以看出，存在一個(gè)臨界偏置距離（L=6 mm），當(dāng)偏置距離大于該臨界偏置距離時(shí)，裂紋Ⅰ不再與靜止裂紋發(fā)生交匯。

靜止裂紋對(duì)與其平行的運(yùn)動(dòng)裂紋具有明顯的吸引作用。隨著偏置距離L 的不斷增大，這種吸引力逐漸降低，裂紋的擴(kuò)展軌跡呈現(xiàn)明顯的差異性。

3.2 裂紋擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析

由于裂紋擴(kuò)展形態(tài)的相似性，在此只列出偏置距離L=0，4，6，8 mm 時(shí)的動(dòng)態(tài)焦散斑圖像，如圖8 所示。當(dāng)落錘與試件上邊緣接觸后，落錘的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為試件內(nèi)部的應(yīng)變能，產(chǎn)生的沖擊波迅速轉(zhuǎn)化為應(yīng)力波，以落點(diǎn)處為圓心呈圓弧狀向試件底部傳播，可以明顯看出在應(yīng)力波的傳播過(guò)程中，靜止裂紋兩端端點(diǎn)B、C，預(yù)制裂紋上部端點(diǎn)A 均產(chǎn)生了能量積聚，具體表現(xiàn)為焦散斑的尺寸不斷增大。隨著偏置距離L 的不斷增大，裂紋的動(dòng)態(tài)過(guò)程呈現(xiàn)差異性。

圖8 裂紋擴(kuò)展的焦散斑圖片F(xiàn)ig. 8 Caustic photos of cracks during propagation

當(dāng)L=0 mm，t=130 μs 時(shí)，焦散斑尺寸較前一時(shí)刻顯著減小，達(dá)到其起裂韌度，能量釋放，裂紋Ⅰ起裂并開始向靜止裂紋方向擴(kuò)展；t=190 μs 時(shí)，裂紋Ⅰ到達(dá)端點(diǎn)B，焦散斑尺寸達(dá)到其整個(gè)過(guò)程的最大值，第1 階段結(jié)束，裂紋擴(kuò)展進(jìn)入停滯階段。運(yùn)動(dòng)裂紋尖端能量不斷向端點(diǎn)C 處轉(zhuǎn)移，并在此不斷匯聚，焦散斑尺寸不斷增大；t=260 μs 時(shí)再次達(dá)到試件的起裂韌度后起裂形成裂紋Ⅱ并逐漸向落錘點(diǎn)擴(kuò)展直至貫穿。

當(dāng)L=4 mm，t=130 μs 時(shí)，裂紋Ⅰ起裂后向上擴(kuò)展并發(fā)生偏轉(zhuǎn)；t=210 μs 時(shí)與靜止裂紋發(fā)生交匯，裂紋擴(kuò)展進(jìn)入停滯階段；t=260 μs 時(shí)裂紋再次起裂形成裂紋Ⅱ。

當(dāng)L=8 mm，t=150 μs 時(shí)，裂紋Ⅰ起裂后近似垂直向上擴(kuò)展，有輕微向靜止裂紋方向偏轉(zhuǎn)的趨勢(shì)但并未與之交匯，隨后向落錘點(diǎn)處擴(kuò)展，說(shuō)明裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生彼此吸引的驅(qū)動(dòng)力小于運(yùn)動(dòng)裂紋擴(kuò)展過(guò)程中受到的阻力，并不足以使運(yùn)動(dòng)裂紋發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)與靜止裂紋產(chǎn)生交匯。

從焦散斑圖像可以看出：當(dāng)L=0 mm 時(shí)，裂紋Ⅰ、裂紋Ⅱ的焦散斑呈現(xiàn)明顯的左右對(duì)稱性，表現(xiàn)為典型的Ⅰ型裂紋，說(shuō)明此時(shí)裂紋主要受張拉作用影響。隨著偏置距離L 的增大，裂紋Ⅰ的起裂時(shí)間基本保持相同，說(shuō)明偏置距離的改變并不影響裂紋Ⅰ的起裂；當(dāng)運(yùn)動(dòng)裂紋向靜止裂紋靠近時(shí)，靜止裂紋端部焦散斑尺寸出現(xiàn)顯著變化，表明運(yùn)動(dòng)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)對(duì)靜止裂紋應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生一定影響，靜止裂紋應(yīng)力場(chǎng)和與其平行的運(yùn)動(dòng)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)相互作用后，會(huì)在運(yùn)動(dòng)裂紋和靜止裂紋之間產(chǎn)生彼此吸引的驅(qū)動(dòng)力。

3.3 動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子分析

3.4 裂紋的運(yùn)動(dòng)特征分析

為了更直觀地分析不同偏置距離對(duì)裂紋運(yùn)動(dòng)過(guò)程的影響，分別作出裂紋尖端沿水平方向的運(yùn)動(dòng)速度vx與時(shí)間t 的關(guān)系圖（見圖10）和運(yùn)動(dòng)裂紋尖端偏轉(zhuǎn)角α 隨位移y 的變化圖（見圖11），規(guī)定靠近靜止裂紋方向的速度為負(fù)值，背離靜止裂紋方向的速度為正值，偏轉(zhuǎn)角α 指裂紋尖端在擴(kuò)展過(guò)程中偏離豎直方向的角度。

由圖10 可以看出：在t=120 μs 左右時(shí)各試件裂紋Ⅰ開始起裂，速度vx在0 m/s 左右較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，此時(shí)可以將裂紋的運(yùn)動(dòng)視作豎直方向上的運(yùn)動(dòng)，即在水平方向沒有速度。隨著裂紋Ⅰ的擴(kuò)展，在t=170 μs 左右時(shí)試件P2-1、P4-1和P6-1的vx值顯著增大，這一階段的速度vx分別達(dá)到峰值33、44、75 m/s，這主要是由于運(yùn)動(dòng)裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中受靜止裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的影響，開始產(chǎn)生水平方向的驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)由于偏置距離L 的增大，裂紋的加速過(guò)程變長(zhǎng)，導(dǎo)致峰值速度隨L 的增大呈現(xiàn)逐漸增大的變化規(guī)律。隨著能量在端點(diǎn)C 的不斷累積，裂紋Ⅱ再次起裂，起裂時(shí)的vx即達(dá)到其峰值，分別為28、40、66 m/s，可以看出，隨著偏置距離的增大，裂紋Ⅱ起裂時(shí)沿水平方向上裂紋受到的初始驅(qū)動(dòng)力增大，隨后速度vx逐漸降低，裂紋沿豎直方向向試件上邊界擴(kuò)展直至貫穿。對(duì)于試件P8-1和P10-1，在t=230 μs 左右時(shí)受靜止裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)作用開始明顯出現(xiàn)靠近靜止裂紋沿水平方向上的速度，隨后速度呈現(xiàn)波動(dòng)狀繼續(xù)擴(kuò)展，t=300 μs 左右時(shí)速度vx減小至零。

圖9 裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子隨時(shí)間的變化Fig. 9 Change of crack stress intensity factor with time

從時(shí)程特征的角度可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)偏置距離在不同范圍內(nèi)時(shí)，裂紋的起偏時(shí)間呈現(xiàn)差異性，當(dāng)偏置距離L 在0～6 mm 之間時(shí)，起偏時(shí)間保持在170 μs 左右，在0～6 mm 范圍內(nèi)偏置距離的改變對(duì)裂紋的偏轉(zhuǎn)沒有明顯影響；當(dāng)偏置距離L 在8～10 mm 之間時(shí)，起偏時(shí)間明顯滯后，保持在230 μs 左右。

由圖11 可以看出：各試件裂紋Ⅰ起裂后，偏轉(zhuǎn)角度α 均從0°開始，當(dāng)裂紋尖端位移y 達(dá)到14 mm 左右時(shí)，試件P2-1、P4-1和P6-1中裂紋Ⅰ開始偏轉(zhuǎn)，具體表現(xiàn)為偏轉(zhuǎn)角度開始緩慢增大，當(dāng)位移值達(dá)到15 mm左右時(shí)可以明顯看出，隨著位移的繼續(xù)增大，偏轉(zhuǎn)角度顯著增大，此時(shí)裂紋Ⅰ曲裂程度加劇；隨后當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到各自峰值后（分別為38.1°、34.6°、43.6°）開始降低直至與靜止裂紋交匯。對(duì)于試件P8-1和P10-1，當(dāng)裂紋尖端位移y 達(dá)到16.5 mm 左右時(shí)偏轉(zhuǎn)角度開始緩慢增大，在位移值達(dá)到20 mm 左右時(shí)偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到各自峰值14.2°、12.2°后緩慢降低。同樣從擴(kuò)展軌跡的角度說(shuō)明了當(dāng)偏置距離在0～6 mm 范圍內(nèi)時(shí)對(duì)裂紋Ⅰ的偏轉(zhuǎn)沒有明顯影響，當(dāng)偏置距離在8～10 mm 之間時(shí)，起偏位移滯后。

4 裂紋軌跡分形維數(shù)計(jì)算

分形幾何自謝和平[22]首次運(yùn)用于巖石的破碎、損傷和斷裂等問題后，諸多學(xué)者[23-25]將其作為研究巖土材料復(fù)雜力學(xué)問題的一種手段。在分形幾何理論中，計(jì)盒維數(shù)Dn是一個(gè)能夠反映裂紋規(guī)則程度的穩(wěn)定指數(shù)，其具體算法如下：

式中：N（δ）為覆蓋δ 邊長(zhǎng)盒子個(gè)數(shù)，δ 為計(jì)盒尺寸。

采用整像素分析方法，將裂紋斷裂后的軌跡進(jìn)行二值化處理，如圖12 所示，每張圖片大小均為1 024×1 024 像素，計(jì)盒維數(shù)計(jì)算過(guò)程中網(wǎng)格的最小劃分單位是一個(gè)像素，通過(guò)MATLAB 計(jì)算程序?qū)D片進(jìn)行處理。

圖12 裂紋軌跡二值圖Fig. 12 Binary diagrams of crack trajectories

圖13 為對(duì)6 組試件裂紋軌跡的計(jì)盒維數(shù)分別擬合后得到的直線。可以看出：隨著偏置距離的增大，試件裂紋軌跡的分形維數(shù)值呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。偏置距離L=0 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的分形維數(shù)值最小，最小值為1.272 2，說(shuō)明在該條件下裂紋軌跡規(guī)則程度最高；臨界偏置距離L=6 mm 條件下對(duì)應(yīng)的分形維數(shù)值最大，最大值D4為1.401 3，此時(shí)裂紋軌跡的規(guī)則程度最低，裂紋破壞形態(tài)最復(fù)雜。從幾何分形的角度說(shuō)明了偏置距離的改變對(duì)裂紋軌跡復(fù)雜程度的影響。

圖13 裂紋軌跡的計(jì)盒維數(shù)擬合曲線Fig. 13 Box-counting dimension fitting curves of crack trajectories

5 結(jié) 論

采用數(shù)字激光焦散線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)含不同缺陷的有機(jī)玻璃（PMMA）進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，以靜止裂紋與預(yù)制裂紋的偏置距離為單一變量，研究在不同偏置距離下靜止裂紋對(duì)運(yùn)動(dòng)裂紋動(dòng)態(tài)斷裂行為的影響規(guī)律，所得結(jié)論如下：

（1）相互平行的運(yùn)動(dòng)裂紋與靜止裂紋在相同的沖擊荷載作用下存在臨界偏置距離，當(dāng)偏置距離L 小于臨界偏置距離時(shí)，裂紋Ⅰ起裂后垂直向上擴(kuò)展一定距離后發(fā)生偏轉(zhuǎn)并與靜止裂紋交匯，偏置距離和交匯點(diǎn)豎向坐標(biāo)值呈近似線性函數(shù)關(guān)系；當(dāng)L 大于臨界偏置距離時(shí)，裂紋Ⅰ起裂后將不會(huì)再與靜止裂紋交匯而是呈拱狀不斷向試件上邊緣擴(kuò)展。

（2）偏置距離的存在不會(huì)影響裂紋Ⅰ的起裂時(shí)間和應(yīng)力強(qiáng)度因子，但會(huì)顯著減小裂紋Ⅱ的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子，且停滯階段的時(shí)長(zhǎng)隨偏置距離的增大而逐漸縮短。當(dāng)運(yùn)動(dòng)裂紋向靜止裂紋靠近時(shí)，靜止裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)對(duì)與其平行的運(yùn)動(dòng)裂紋應(yīng)力場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生一定影響，運(yùn)動(dòng)裂紋和靜止裂紋之間會(huì)產(chǎn)生彼此吸引的驅(qū)動(dòng)力。

（3）偏置距離在不同的范圍內(nèi)時(shí)，運(yùn)動(dòng)裂紋的起偏時(shí)間、起偏位置呈現(xiàn)差異性：當(dāng)偏置距離L 小于臨界偏置距離時(shí)，L 的改變對(duì)裂紋的起偏時(shí)間、起偏位置沒有明顯影響；當(dāng)L 大于臨界偏置距離時(shí)，運(yùn)動(dòng)裂紋的起偏時(shí)間、起偏位置明顯滯后。

（4）試件裂紋軌跡的分形維數(shù)值隨著偏置距離的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。裂紋擴(kuò)展軌跡在臨界偏置距離條件下對(duì)應(yīng)的分形維數(shù)值最大，此時(shí)裂紋軌跡的規(guī)則程度最低，裂紋破壞形態(tài)最復(fù)雜。