高静压下长杆中轴向应力波衰减研究

针对用于非常规页岩油开发的可控冲击波设备负载推送杆,该文提出了一种可用于高静压环境的内置吸收杆应力波衰减结构,基于LSDYAN软件与简化Johnson-Cook本构模型,开展了推送杆中应力波衰减规律的数值模拟研究。首先,基于试验数据对材料模型参数及数值算法的可靠性进行验证,在此基础上计算了不同外部环境、不同载荷参数及不同吸收杆参数对应力波衰减效果的影响。研究结果表明:外部是否存在静压对吸收杆的应力波吸收效果无显著影响,但静压会在空腔区造成部分应力集中,在50 MPa外压力下内壁等效集中应力峰值可达100 MPa;吸收杆对应力波能量的吸收效果取决于其脱离壁面前注入其中的能量;在载荷参数适配的条件下,通过串接多个吸收杆结构可以增加对应力波的衰减效果。研究结果可为水下高静压环境下的结构抗冲击防护设计提供指导与参考。

动静载作用下充填节理砂岩应力波传播特性研究

为研究节理角度和不同围压作用下的充填节理岩石的动态力学特性和应力波传播规律,利用改造后的动静组合加载霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)装置,对充填节理厚度为8 mm的砂岩试样进行冲击试验,研究不同围压等级(0、4、6和8 MPa)和不同节理倾角(0°、15°、30°、45°)下充填节理试样的动态力学特性和应力波传播的规律,采用应力波斜射理论并进行验证。试验结果表明:(1)完整砂岩的反射波幅值最小,以0 MPa为例,反射波幅值从0.194×10^(-3)增长到0.299×10^(-3),与倾角成正相关,透射波幅值与倾角成负相关,且从0.169×10^(-3)减小到0.053×10^(-3);以0°为例,反射波幅值与围压呈负相关,且从0.194×10^(-3)减小到0.074×10^(-3),透射波幅值相反从0.169×10^(-3)增长到0.257×10^(-3);(2)在冲击动载作用下,一定程度围压可以起到限制变形,抑制胶结面分离,提高承载能力;节理倾角越大的充填节理产生的变形越大,承载状态越差;(3)倾角试件随着围压增大反射能力降低,透射能力提高,0°倾角试件的反射系数从0.603减小到0.147,透射系数从0.569均匀增加到0.789,围压试件随着倾角的增大反射能力增大,透射能力降低与理论分析规律一致;(4)节理倾角与试样吸收能密度呈负相关,围压与试样吸收能密度呈正相关,与围压作用下的透反射规律一致。

应力波斜入射下砂岩层裂破坏的试验研究

在地下工程结构中,爆破或地震等产生的动载荷会以任意方向作用于围岩,容易导致其发生层裂破坏。为了研究应力波斜入射对砂岩试样层裂破坏特性的影响,利用50 mm杆径的霍普金森压杆装置开展了应力波在0°、30°、45°和60°入射下砂岩试样的层裂试验,并利用高速摄影仪记录试样的层裂破坏过程。试验结果表明,试样初始层裂长度和层裂强度受应力波入射角度影响显著。在相同冲击气压下,试样初始层裂长度随着应力波入射角度的增大而增大;而试样层裂强度随着应力波入射角度的减小而增大。此外,采用离散元代码(particle flow code, PFC)对本次试验进行了数值模拟,模拟结果与试验结果较为吻合。在模拟中,进一步研究了冲击速度对应力波斜入射下砂岩层裂破坏的影响,在较高冲击速度下,应力波垂直入射造成的层裂裂纹数量与较低冲击速度下变化程度不大,而应力波在斜入射下造成的层裂裂纹数量显著增多,且损伤较为明显。

应力波作用下隧洞顶板围岩块体失稳滑动解析理论研究

由于地质结构和开挖面的影响,隧洞围岩通常被切割成不同形状和尺寸的块体.其中,一些关键块体在开挖卸载后仍然保持稳定,但当受到应力波(如爆破振动和地震等)的干扰时可能会失去稳定性并滑动.基于应力波传播理论推导了隧洞围岩顶板矩形关键块体动力失稳滑动解析模型,在计算块体滑动位移过程中,考虑了块体间节理的不同闭合-张开模式,并采用线弹性模型和库仑滑移模型来描述节理的法向和切向行为.通过UDEC数值模型验证了解析模型的有效性和可靠性.随后,基于解析模型探讨了可能影响块体失稳滑动的参数.研究结果表明:在应力波作用下,隧洞围岩块体间节理面会闭合-张开,在张开过程中节理面的摩擦力会逐渐降低,甚至为零,块体间节理面的超低摩擦和无摩擦阶段对块体滑动位移的影响最大;当应力波垂直作用于围岩块体结构面且强度足以诱使节理面张开时,影响块体滑动位移较大的参数是节理面初始法向应力、应力波振幅、频率和块体岩性,单周期正弦应力波下块体滑动位移的变化在0.659~1.502 mm之间;其次为节理初始法向刚度、块体尺寸,块体滑动位移的变化在0.15~0.168 mm之间.

激光冲击诱导应力波对残余应力孔洞形成的影响

目的揭示残余应力孔洞形成的影响机制。方法采用有限元动力学仿真,实现对激光冲击诱导应力波传播过程的捕捉和特性分析。结果在2000 ns以内的光斑作用区域,材料的初始应力仅受到激光冲击诱导Ⅱ类应力波的扰动作用,此扰动作用由光斑中心向外依次减弱,引起的应力波动幅值由2459 MPa降至224 MPa;在其他工艺参数相同的情况下,残余应力孔洞随着峰值压力和脉宽的增加而变得更加明显,应力幅值差σ_(k)分别由0、114 MPa增至454、568 MPa,孔洞直径d_(k)分别由0、0.8 mm增至约1.4 mm,光斑直径的影响相对较弱。在激光能量3 J的作用下,空间高斯分布对应结果存在应力孔洞,σ_(k)、d_(k)分别为190 MPa、1 mm。将空间平顶分布激光能量增至7 J,对应结果由3 J激光能量时的无应力孔洞转变为存在明显应力孔洞,σ_(k)、d_(k)分别为634 MPa、1.4 mm。另外,在激光能量3 J的作用下,材料1的应力孔洞最显著,σ_(k)、d_(k)分别为207 MPa、1.4 mm,均高于材料2和材料3的对应值。凸圆面、平面和凹圆面对应的σ_(k)分别为212、190、83 MPa,d_(k)均为1 mm。结论在圆形光斑激光冲击载荷作用下,加载和卸载过程中形成的应力波在光斑中心的汇聚作用均较强,导致光斑中心区域材料持续出现正反向屈服,进而形成残余应力孔洞;在相同参数条件下,激光能量越高,则材料的力学性能越低,应力波扰动作用越强,应力孔洞现象越明显。

不同应力波形下饱水红砂岩动力学特性

应力波幅值及能量耗散时空演化规律在冲击地压等煤岩动力灾害防治工作中往往被忽略,为研究冲击脉冲波形状对岩石的动力学特性影响,利用分离式霍普金森杆实验系统(SHPB),采用多种长度和纺锤形撞击杆(子弹)对干燥和饱和水红砂岩进行不同应变率下的动态压缩实验。结果表明:应力波持续时间对岩石的应变率和动态强度产生显著影响,当撞击杆长度大于300 mm时,应变率-时程曲线产生“双峰”现象,岩石动态强度与持续时间呈线性关系;当应变率小于300 s^(-1)时,透射能随应变率增大而增加,当应变率大于300 s^(-1),撞击杆长度大于300 mm时,岩石的透射能力随应变率变大而降低;能耗率拟合曲线随应变率增大表现为先增大后降低趋势。

应力波作用下红砂岩复合动态断裂特征研究

为探究应力波作用下红砂岩的复合动态断裂特性,采用分离式霍普金森压杆和数字图像技术对带预制裂缝的半圆盘三点弯曲试样开展冲击加载实验,分析加载率、波长对红砂岩动态拉伸、断裂特征的影响。结果表明:①红砂岩试样加载率与动态抗拉强度、断裂韧度及破坏率均呈一次函数关系;断裂能随加载率增大而增长415.27%。②随着波长增加,动态抗拉强度增长742.14%,其中断裂能增长54.49%,但能量吸收率呈下降趋势;裂纹扩展平均速度增长4.09%,且首尾裂纹应变增长时间出现滞后现象;破坏率增长效应得到强化。③冲击速度8 m/s时试件主裂纹首尾监测点位的应变平均增加84.31%。

基于广义波阻抗理论的SHPB试验中弹性压缩阶段试件应力-应变曲线的应力波效应及其影响机理

定量研究分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验中弹性压缩阶段试件中的应力波效应是解耦准确材料弹性曲线的基础。在满足平面波假设的基础上,基于广义波阻抗理论,对杆与试件面积不匹配时试件弹性压缩阶段应力波演化造成的结构效应开展了定量理论研究,分析了不同情况下弹性阶段内试件唯象工程及实际材料应力-应变曲线的偏差特征与主要因素,并揭示了影响这种偏差的影响规律及其机理。研究表明:对于线性入射加载波,当无量纲时间为0.5的倍数时,即使其他参数改变,试件唯象与材料实际的应力-应变曲线仍对应相等;试件两端的应力差较大时,若应力差的变化趋于稳定,则试件唯象与材料实际的应力-应变曲线差异较小。计算了不同波动区间内试件的最大应力偏离值及其变化趋势和对应的无量纲时间,研究了入射波是双线性组合波时试件的应力-应变曲线。研究表明:双线性波入射时,2个线性区间可以独立分析,无论如何组合线性区间或应力差如何变化,只要试件两端应力差为近似恒定曲线,对应的试件唯象工程应力-应变曲线都是相对准确的。

动载作用下锚固体应力波传递及破坏特征研究

为研究动载作用下锚固体的应力波传播规律及破坏特征,利用分离式霍普金森杆(SHPB)对锚固体试件开展了不同预应力及不同冲击次数的冲击试验。研究结果表明:随着预应力增加,锚固围岩中应力波峰值逐渐增加,衰减速度逐渐减小,增大锚杆预应力,锚固自由端拉伸波峰值明显减小;随锚固体试件预应力增加,锚固体轴力损失越快,轴力损失率呈二次线性增加的趋势;预应力较小时,锚固自由端围岩产生裂缝较多,多次冲击下裂缝距离较为接近;随着预应力的增加,自由端头破坏程度减弱;随着预应力增加,拉拔最大位移量越来越小,未受动载作用的原始试件拉拔后未出现明显的破坏;动载作用后,随着预应力增大,锚固端头发生一定程度的劈裂破坏,预应力持续增加劈裂破坏程度越来越弱。

应力波作用下水平倾向液体充填岩石节理动态响应规律试验

地下岩体工程中,液体充填岩石节理不可避免会受到地震、爆破等动力扰动。由于液体具有流动性,不同倾向节理中的液体呈现不同空间分布状态,受应力波扰动后液体的运动状态也相异。为阐明应力波作用下水平倾向液体充填岩石节理动态响应规律,利用辉长岩切槽试样、有机玻璃管与丙三醇制备了液体充填岩石节理试样,采用类霍普金森杆试验测试系统,开展了液体充填岩石节理试样的竖向冲击加载试验,考虑了节理匹配系数(J_(MC))、液体体积分数与黏度3个影响因素,并从应力波透射能量与液体运动2个方面分析了液体充填岩石节理动态响应规律。试验结果表明:液体充填岩石节理J_(MC)增大,应力波透射能量增大;随着液体体积分数增大,高幅低频应力波的透射能量单调增大,低幅高频应力波的透射能量先不变后增大;当液体体积分数为50%时,应力波透射能量随着液体黏度增大而减小,而当液体体积分数为100%时,应力波透射能量随着液体黏度增大呈现先减小后增大的趋势;节理边界处,液体运动方向垂直于水平节理面向上,节理排液能力和液体运动剧烈程度随液体黏度增大而减弱。

交错起爆下爆炸应力波的碰撞机制与破岩效果

对双孔交错起爆方式下孔间爆炸应力波的碰撞机制和破岩效果开展了研究,基于应力波正、斜碰撞理论研究了孔间爆炸应力波的相互作用机制,证明了双孔交错起爆方式下孔间应力波碰撞引起的应力增强效应;借助ANSYS/LS-DYNA有限元程序中岩石的RHT模型和炸药的JWL状态方程,模拟了交错、孔底和孔口起爆方式下孔间应力波的大小和破岩效果;最后,结合现场试验对比分析了不同起爆方式下爆炸应力波的相互作用及含砾石岩体的破碎块度分布特征。结果表明:双孔交错起爆下两应力波首先在孔间正碰撞,碰撞后的压力与应力波稳定传播时的压力比为2.4;当入射角在0°~44°区间时,应力波斜碰撞,压力比由4.1降至2.3;当入射角处于44°~90°区间时,应力波发生马赫反射,压力比由3.5降至1.0。交错、孔底起爆方式下,爆破块度尺寸小于250 mm的比例分别为25.5%和20.9%,爆破块度尺寸大于750 mm的比例分别为9.2%和17.5%。双孔交错起爆引起的应力波碰撞增强效应可有效改善含砾石岩体的钻孔爆破破碎效果。

动静荷载下煤岩体应力波传播与衰减特征

首先,采用霍普金森压杆(SHPB)试验系统对短试样(长度为50 mm)和长试样(长度为300 mm)煤岩开展多种应变率和不同传播距离的冲击试验,并将应变片粘贴在长试件的不同位置;其次,结合自主研发的干耦合式超声波测试系统开展多应力水平和多频率的超声波测试试验;最后,揭示应力波在煤岩传播过程中的能量损失规律以及高频波与低频波的衰减规律。研究结果表明:在冲击试验中,入射、反射及透射应力波峰值均随应变率增加而增大,但由于应变率增加时波频率增加,高频波在穿越微观结构面时更易衰减,透射系数随应变率增加而呈线性减小;透射波在传播距离300 mm以内衰减较快,衰减量达30%,透射波随距离增加大致而呈现指数形式的衰减规律;超声波由于振动幅值小且频率高,在传播过程中距离达到75 mm时迅速衰减,之后的衰减幅度逐渐趋于平缓。高频率更易与煤体的细观结构发生相互作用而被吸收,致使高频波随传播距离衰减更快,频率与波幅值衰减呈线性关系。

束状孔与当量大孔爆破应力波在节理岩体中的衰减规律

束状孔当量球形药包爆破技术是基于大直径深孔采矿法的新型爆破技术,与单孔爆破技术相比,其炸药能量利用率更高。为了探究节理岩体中束状孔与当量大孔爆破应力波衰减规律的不同,开展束状孔与当量大孔爆破模型试验研究。试验采用混凝土制作相似模型并用无缝钢管将炮孔包围以忽略爆生气体的作用,同时考虑不同节理厚度的影响,得到了爆炸应力波峰值速度与节理厚度的关系,并将两种布孔方式在相同节理条件下进行对比分析。结果表明:两种布孔方式的爆炸应力波峰值速度均随着节理厚度的增加而逐渐降低,在相同节理厚度条件下,束状孔爆破的应力波衰减相对更小。

基于压电应力波的装配式混凝土灌浆套筒连接质量检测试验研究

为解决装配式混凝土灌浆套筒连接不密实缺陷的无损检测问题,并有效认识连接缺陷的压电应力波特征,本文以合肥市某项目为研究对象,结合室内物理模拟试验,搭建了装配式混凝土灌浆套筒连接质量缺陷室内模拟试验系统,并分别测试灌浆前、后及不同缺陷工况下的压电应力波形,以观测波形响应特征。结果表明,无论是全灌浆还是半灌浆套筒试件,灌浆前后同一个接收传感器位置接收到的压电应力波波形相近,但灌浆后的压电应力波波幅明显偏小;同一灌浆状态下,近端接收传感器采集到的压电应力波幅值比远端同侧接收传感器、对侧接收传感器的更大,而首波初至时间则更短;远端同侧、对侧接收传感器位置上,不同缺陷工况下测试得到的压电应力波波形相近,且随着缺陷长度增加,压电应力波的振幅也越大;近端接收传感器位置,工况4的压电应力波振幅较工况1~工况3有明显增大,工况8较工况5~工况7有增大。

花岗岩中应力波传播试验与数值模拟分析

为研究华山花岗岩中的应力波衰减规律,基于花岗岩一维杆状试件的摆锤冲击试验,探测和分析脉冲振幅衰减和信号传播特征.随后,采用LS-DYNA商业软件和Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构开展对应的动态试验数值模拟与分析,并将花岗岩岩杆应力波衰减时程的数值结果与试验结果对比,验证HJC本构参数对华山花岗岩的适用性,分析应力波在花岗岩中的传播及衰减规律.结果表明:华山花岗岩中应力波的振幅随传播距离增加呈指数衰减,衰减系数η约为0.181.HJC本构模型可有效模拟华山花岗岩中应力波的传播规律,并基于试验结果确定了相应的HJC本构模型参数,研究结果可为花岗岩矿山岩体爆破安全与稳定分析提供借鉴.

高效铣刀后刀面摩擦应力波传播与衰减特性

高效铣削加工过程中,受高频、断续切削载荷作用,铣刀与工件接触角度、姿态频繁变动,使得刀工界面相对摩擦力及其引起的应力波传播、衰减过程动态变化,导致高效铣削过程摩擦磨损、磨损寿命难以准确识别及预测。构建刀齿误差和铣削振动影响下的铣刀-工件动态接触关系模型,解算铣刀刀齿后刀面摩擦力,根据一维弦线理论,提出刀齿后刀面摩擦应力波传播距离、变化速率与衰减率的解算方法。结果表明,靠近刀尖处应力波峰值和变化速率更大,高效铣刀摩擦应力波衰减过程呈偏态指数型衰减。应力波解算方法的关联度验证结果表明,刀齿后刀面特征点能量与试验累积磨损深度的关联度大于0.8,验证了模型的准确性。

煤矿开采激发应力波扰动下逆冲断层失稳机理

【目的】煤矿开采中,人工爆破、顶板垮断等震源激发应力波易诱发断层失稳并导致冲击地压等灾害。【方法】以河南义马矿区F16逆冲断层为研究对象,通过开展断层动光弹实验、数值模拟实验和理论分析,对应力波在断裂结构中的传播规律和应力波作用下断层摩擦能演化特征进行了研究,探讨了震源位置及能量对逆冲断层滑移的扰动规律,阐释了应力波扰动下逆冲断层失稳机理和失稳类型。【结果和结论】研究结果表明:(1)应力波传播会被断层阻隔,并造成断层活化加剧、摩擦能迅速增大。(2)震源应力波能量增大可加强断层自锁效应,当能量超过一定阈值时断层才会解锁。(3)应力波自上至下分区扰动断层并造成断层滑移,其滑移模式受初始应力状态和应力波扰动强度影响。(4)初始高水平静载和强应力波扰动是断层失稳的必要条件。研究成果对断层型灾害防控技术发展具有重要的指导意义。

弹体破片不同角度冲击蒙皮产生的应力波特征分析

在低空作战时直升机蒙皮易被杀爆弹破片击穿,损伤程度影响飞行安全与任务决策。为了有效支撑蒙皮弹击监测工作,针对不同角度冲击导致损伤程度不同的问题,开展不同角度冲击应力波特征研究。本文中建立了弹体破片冲击蒙皮有限元模型,通过仿真分析和弹体破片冲击模拟实验相互验证,获取弹体破片冲击应力波信号;利用时频分析的方法,分析冲击应力波信号的主要成分,确定其信号模态种类和频带范围;提取信号能量及不同模态波包峰值特征,建立应力波信号特征与冲击角度的关系。研究结果表明,不同角度冲击产生的应力波信号3个波包峰值规律不同,不同方位的信号能量差异较大,且随冲击角度增大逐渐趋于一致,该结果为直升机弹击监测提供了一定的参考依据。

φ40 mm孔径下爆炸应力波衰减特性试验研究

为了研究爆炸应力波在基岩中的传播和衰减规律,利用不同标号的混凝土代替不同等级围岩,对φ40 mm孔径下不同装药结构的工况进行爆破试验。通过制作及预埋PVDF薄膜传感器,测量6种装药结构下不同距离处的爆炸应力峰值,探究不同药量、不同岩石性质对爆炸应力波传播的影响。通过试验得到了C20、C30、C40混凝土试件在试验所涉及的范围内爆炸应力波随传播距离衰减的指数关系式。试验结果表明随着介质波阻抗的增大,该介质内部的爆炸应力波衰减系数会增大的规律,同时也验证了利用PVDF传感器测量混凝土内部的爆炸应力峰值这一方法是可行的,测试数据是可靠的,对后续不同岩土介质下的应力衰减规律研究和工程应用有一定的指导意义。

基于盒维数与锚杆无损检测技术的杆体应力波特性研究

为了研究复杂岩层中剪切力与轴向载荷对反射信号特性的影响,将分形维数中的盒维数与应力波特性参数应用到锚杆无损检测之中。通过在锚杆自由端中间加载不同大小的集中载荷,分析了同一试件上加载不同的动态载荷力与不同试件加载不同剪切力对应力波特性的影响。使用MATLAB软件对检测信号进行盒维数计算,研究在不同情况下的盒维数变化规律;对检测信号幅值、有效值、标准差、幅频进行分析,判断其信号强度及其规律。研究结果表明:随着锚固结构轴向载荷与锚杆自由端剪力的逐渐增加,信号强度逐渐减弱;剪切力大小影响锚杆的极限承载能力,随着剪切力的逐渐增大,盒维数会不断增加,锚固结构的极限承载能力也会增加;随着轴向载荷的不断增大,盒维数先增大后减小,在盒维数最大值处锚固结构失效。