SHPB循环冲击实验技术在岩石冲击动力学教学中的应用研究

该文通过将SHPB实验与岩石冲击动力学相关理论课程相结合的教学模式,提高学生对岩石冲击力学响应和能量演化特征的认知与理解,培养学生在科学实验方面的实际操作能力和严谨态度,发挥学生自主开展实验研究的主观能动性,提升教学效果。基于多学科交叉融合理念,联系科学研究热点问题,引导学生进一步思考并探索更多“SHPB+”,有助于培养学生的科研实践能力与思维创新精神。

不同含水率红陶土的SHPB动力学性能实验

为研究动态加载下红陶土的动态力学特性,利用分离式霍普金森压杆系统,开展了含水率分别为5%、7%、9%、11%、13%和15%,冲击速度分别为6、8、10 m/s,分析了不同含水率和应变率条件下红陶土的动力学特性。结果表明:随着冲击速度的增大,红陶土应变率效应显著;在冲击荷载作用下,红陶土的动态应力-应变关系曲线随加载应变率提高呈现2种曲线类型,分别为脆-塑性破坏和脆性破坏,随着应变率的增加,红陶土破坏过程由塑-脆性破坏逐转变为脆性破坏;红陶土的抗压强度、动态弹性模量均随应变率的增大而增加,并随着含水率的增大先减小后增大。

基于SHPB技术测试典型金属动态压缩性能的尺寸效应分析

为探究金属材料在SHPB动态测试中的尺寸效应问题,该文选用3种具有典型晶体结构的金属材料2A12铝合金(面心立方,FCC)、45钢(体心立方,BBC)以及TC4钛合金(密排六方,HCP),分别加工成具有相同长径比(0.8)、不同尺寸(Φ10 mm×8 mm,Φ5 mm×4 mm,Φ2 mm×1.6 mm)的圆柱形压缩试样,并采用三组不同杆径的SHPB装置(杆径分别为Φ19 mm、Φ12.7 mm、Φ5 mm)进行动态力学性能测试。结果表明:在金属材料的动态压缩力学性能测试中,所用试样的尺寸在满足一定要求时方可获得其稳定的塑性流动应力,对于绝大多数金属建议采用直径大于5 mm的试样进行测试;采用微型SHPB装置配合小尺寸试样所测得材料的塑性流动应力偏低;对应变率敏感的材料,其尺寸效应也更为显著;被测试样的塑性流动应力或与试样的应力三轴度(即一维应力程度)相关。该文意在分析SHPB测试中的尺寸问题以期对相关学者和工程技术人员准确地获取金属材料的动态实验数据提供参考。

基于SHPB试验的碳纳米管增强混凝土动态压缩行为研究

为探究碳纳米管增强混凝土在冲击荷载作用下的动态压缩行为,采用?100 mm大直径分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)对其进行了冲击试验,对比分析了不同冲击速度和碳纳米管掺量条件下混凝土的动态抗压强度、受压形变以及能量耗散特征的演化规律。试验结果表明:碳纳米管增强混凝土的动态强度特性具有显著的加载速率敏感性,动态抗压强度和动态强度增长因子均与冲击速度呈线性正相关的关系,当加载水平相同时,动态抗压强度随碳纳米管掺量的增大呈先上升后略有下降的变化趋势,且与普通混凝土相比增幅可达23.7%。碳纳米管增强混凝土的极限应变与冲击韧度的变化特点相似,均随冲击速度的增大而逐渐提高,具有一定的冲击速度强化效应,但与冲击速度之间并没有表现出明显的线性关系。在同一加载水平下,当碳纳米管掺量为0.30%时,混凝土的冲击韧度达到相对最大,较之普通混凝土提升约10%。掺入适量的碳纳米管能够有效强化混凝土内部结构的整体性和致密性,进而改善混凝土的动态力学性能以及能量耗散特征。

饱水砂岩SHPB试验研究与耗能分析

深部工程岩石常处于饱水状态,爆破开采时往往承受各种复杂的冲击力作用。为保障施工安全高效进行,研究不同冲击荷载下饱水砂岩的动态力学性能有着理论指导意义。试验测量饱水处理后砂岩试件的基本物理参数,并采用分离式霍普金森压杆装置(SHPB)对饱水砂岩试件开展6种不同冲击荷载作用下的动态压缩试验。结果表明:饱水砂岩试件动抗压强度随加载速率增大而增大,呈二次多项式关系,正相关性显著;随应变率提高,动抗压强度增长,两者近似指数函数关系;动应变受应变率作用明显,表现为二次增长关系;试件压缩破坏时的破碎程度随冲击速率增大而增大。随冲击气压增加,试件破裂面逐渐增多,吸收能量也越多,破碎程度加剧,碎块尺寸减小。

基于摆锤加载岩杆SHPB装置的充填体动态力学特性测试方法

针对充填体试样SHPB(split Hopkinson pressure bar)试验测试中存在的透射波测量的难点问题,采用岩石长杆代替钢杆作为入射杆和透射杆的方法改进摆锤冲击加载SHPB试验系统,探讨了SHPB试验中黏弹性波的传播及波阻抗匹配问题;基于应力波在岩石杆件系统中的传播规律研究,定义了应力波在入射杆和透射杆上传播的黏性衰减系数、试样-岩杆界面的透反射衰减系数;基于Kelvin-Voigt模型,利用一维波动分析程序,得到了岩石杆件-充填体的波阻抗匹配系数与透反射衰减系数的关系;依据现场充填体特性、波阻抗匹配系数和透反射衰减系数,选取了四种岩石长杆改进摆锤冲击加载SHPB试验装置;利用一维波动分析程序,计算了岩杆的黏性系数、充填体和岩杆界面的应力和应变,分析了透射波的波形特征和信噪比,发现四种岩石与充填体波阻抗的匹配程度从好到差依次为绿砂岩、花岗岩、大理岩、玄武岩;建立了以绿砂岩为入射杆和透射杆的摆锤冲击加载SHPB试验系统,开展了充填体的动态冲击试验,验证了试样中的应力平衡。

基于SHPB的切缝药包防护特性研究

为探究定向断裂控制爆破中切缝药包对围岩的防护特性,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验对用药包材料制成的垫片防护下的花岗岩试块进行冲击,分别研究垫片与岩石间距、垫片材料和厚度因素对围岩防护效果的影响,分析在高速冲击下岩石的破碎情况和应力峰值,并建立多个切缝药包单孔爆破数值模型,通过对比不同情况下围岩损伤而进一步揭示切缝药包对围岩的防护特性机理。研究结果表明:岩石在强冲击荷载作用下严重破碎,当采用外壳垫片防护后,岩石的破碎程度有所降低。相同垫片厚度和垫片与岩石间距离固定的情况下,PVC外壳垫片防护效果要优于ABS外壳垫片。随着垫片厚度的增加和岩石与垫片间距的增加,岩石受损程度逐渐减弱,且增加垫片厚度对岩石的防护效果要优于增加岩石与垫片外壳间距的防护效果,研究成果可为控制爆破提供技术参考。

不同形状子弹在SHPB装置上的波形数值模拟研究

为探究不同形状子弹对加载的影响,使用LS-DYNA对14种不同形状、尺寸的子弹在SHPB装置入射杆上产生的加载波进行数值仿真,在冲击速度恒定为5 m/s的情况下,子弹对相同尺寸(50 mm)入射杆进行冲击,重点分析子弹产生加载波的波形。结果表明,对于等截面子弹,子弹截面尺寸不变时,随着子弹长度的增加,加载波的平台段随之变长;子弹长度不变时,随着子弹截面尺寸的增加,峰值应力也随之增加;但无论是子弹长度还是子弹的截面尺寸对上升至峰值应力所需时间几乎没有影响;对于变截面子弹,截面尺寸不变时,随着子弹尾部长度的增加,加载波的波形更接近半正弦波,峰值应力增大,加载波上升时间基本一致;当子弹尾部长度相同时,随着子弹头直径的减小,峰值应力变大,加载波上升时间基本一致。

碳化硅试件的SHPB试验数值模拟与分析

采用ABAQUS软件对碳化硅试件的分离式霍普金森压杆试验(SHPB)进行有限元仿真,模拟冲击载荷下碳化硅试件的损伤演变过程,得到不同应变率下碳化硅试件的应力-应变曲线。仿真结果表明,碳化硅试件在受到压杆冲击时产生拉应力和压应力,在拉应力集中的地方首先出现微观失效,当压应力超过材料的抗压强度极限时试件整体压溃;压杆对碳化硅试件做功的93.8%用于产生塑性变形;碳化硅试件具有应变率强化效应,试件的动态抗压强度随应变率的增加而上升,最大抗压强度为10551 MPa,动态弹性模量受应变率的影响较小。

基于SHPB的构造煤动态力学特性试验研究

为探究构造煤在冲击动载作用下的力学特性,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置对赵庄煤矿3#煤样进行冲击试验,冲击气压设定为0.15、0.2、0.3 MPa。研究结果表明:不同冲击动载作用下,构造煤应变率随应变增大均呈M型,且具有显著的阶段特征,其最大应变率、平均应变率随冲击动载的增大而增加;低应变率条件下,煤样的应力-应变特性表现为显著的脆性材料特征,且动态抗压强度与平均应变率呈线性增大特征。热活化机制是低应变率煤岩动力学特性衍化的决定机制。

基于SHPB劈裂实验技术的岩石冲击动力学教学模式与实践

分离式霍普金森压杆(SHPB)是测定岩石材料在中、高应变率下动力响应行为的专业设备。为了帮助学生深刻认识和理解岩石的冲击劈裂力学特性与应力应变演化机理,聚焦岩石冲击动力学关键科学问题,将SHPB冲击劈裂实验技术引入岩石冲击动力学教学中,采用“理论+实验+讨论”的教学模式,建立教学课程的持续改进机制,解决了岩石冲击动力学理论知识学习的晦涩难懂、枯燥乏味,弥补了岩石冲击动力学理论教学的不足。可拓展学生的创新性思维以培养学生提出和解决关键科学问题的能力。

SHPB试验技术在凿岩爆破工程教学中的应用

“凿岩爆破工程”课程是采矿专业实验教学的基础课程,对SHPB设备结构、实验过程、原理进行了介绍,让学生更加了解SHPB实验原理和岩石动力学参数的理论计算方法。通过借助SHPB装置与“凿岩爆破工程”理论课程相结合的教学方式,锻炼学生们的实践能力、理论应用能力及科研探索能力,提高学生对科研的兴趣,为大学生推开科研之路的第一扇门。

不同损伤模型下超高性能混凝土SHPB试验数值模拟对比

目的探讨不同损伤模型下超高性能混凝土SHPB试验数值模拟效果的差异性。方法应用大型有限元程序LS-DYNA,结合UHPC材料特性,明确了KCC、HJC和CSC模型中关键参数的取值,建立了超高性能混凝土SHPB试验数值仿真模型。在此基础上,开展不同损伤模型下UHPC试件波形、动态应力-应变曲线、弹性模量和动力增大系数(DIF)值模拟结果与实测结果的对比,探讨不同损伤模型下超高性能混凝土SHPB试验动态破坏进程。结果CSC模型在低速冲击下能更好地模拟UHPC材料的实测波形和动态应力-应变曲线,而在中高应变率下KCC模型和HJC模型得到的计算波形以及动态应力-应变曲线与实测值吻合度更好;低应变率下三种损伤模型得到的DIF值相差不大,但随着应变率提高,CSC模型在一定程度上将低估UHPC材料的动力特性;UHPC试件破碎程度随应变率的增加而增大,相对于CSC模型在冲击破坏时表现出的核心存留现象,KCC模型和HJC模型分别表现出明显的整体塌陷和边缘塌陷现象。结论对于UHPC材料,CSC模型适用于低速冲击下SHPC试验数值模拟,而KCC模型和HJC模型适用于中高应变率下数值模拟。

3D-DIC技术在SHPB实验教学中的应用与实践

为了优化传统分离式霍普金森压杆(SHPB)实验教学内容,帮助学生理解实验原理和变形概念,将三维数字图像(3D-DIC)相关技术引入到SHPB实验教学中。分析了SHPB实验原理和3D-DIC基本原理,介绍并演示了基于3D-DIC技术的SHPB实验流程,并以混凝土动态压缩实验为例,指导学生进行散斑场布置、动态实验和数据处理分析等。结合3D-DIC技术的动态压缩实验,获得了试样在动态荷载作用下的破坏过程,揭示了试样中裂纹的扩展及应变场的变化规律,弥补了应变片单点测量的不足,激发了学生的学习兴趣和主观能动性,加深了学生对动态力学中变形和破坏机理的理解,取得了较好的教学效果。

玻璃球宏细观冲击特性的SHPB试验和耦合数值模拟研究

为研究玻璃球的宏细观冲击特性,该文开展了不同相对密实度玻璃球的一维霍普金森杆(SHPB)冲击试验和离散元-有限差分法耦合数值模拟研究。结果表明:一维冲击荷载下玻璃球经历初始弹性、屈服、颗粒间互锁硬化和颗粒破碎硬化四个阶段。基于耦合数值模拟发现,颗粒平均配位数随着冲击荷载时程不断增加,但增加的速率逐渐下降,其原因是配位数变化取决于孔隙压缩和以旋转为主的颗粒重排,随着试样压缩变形的发展,孔隙压缩和颗粒重排需要克服更大的颗粒间互锁效应,因此逐渐变缓。而试样孔隙率在弹性阶段基本不变,在屈服阶段和互锁硬化阶段近似线性下降,其原因是孔隙率变化受控于颗粒整体移动,弹性阶段颗粒整体移动尚未发展,屈服之后颗粒整体移动产生的孔隙压缩随荷载时程呈线性发展。冲击荷载下,颗粒位移以整体移动为主,相对位移为辅,因此,颗粒位移对试样的初始密实度不敏感。颗粒旋转需要克服周围颗粒的互锁效应,互锁效应取决于试样级配和颗粒粒径,对密实度较敏感。

基于改进型SHPB的混凝土动力冲击研究

混凝土作为一种重要的建筑材料,其抗冲击性能关乎核电站、大坝、机库等重要结构设施的安全稳定。在动力侵彻过程中,混凝土材料内部赋存大量随机分布的微孔隙、裂隙等被激活、扩展,诱使混凝土发生宏观破坏,研究混凝土材料破坏过程中的动态破碎机理及能量消耗可直观反映材料的防护性能。笔者提出了一种基于弹体侵彻理论的改进型分离式霍普金森压杆(SHPB)动载冲击试验方法,在入射杆端部设计安装锥度为120°的圆锥形冲头,对常规混凝土、RGC(橡胶混凝土)和SFRC(钢纤维混凝土)进行动力冲击研究。通过分析改进型SHPB系统上应力波透反射效应,获得含不同掺合料混凝土试块的宏观破坏形态、破碎产物粒径分布规律和能量耗散规律。试验结果表明:RGC试块和常规混凝土破坏模式相似,宏观破裂成几个大块度试块,而SRFC在钢纤维“桥连”作用下,呈“微裂而不散,裂而不断”的破坏模式;在相同子弹冲击速度下,试块块度粒径SRFC最大、RGC次之、常规混凝土最小,表现出抗破碎能力:SRFC>RGC>常规混凝土;随入射能量的增加,材料破碎能耗均呈线性增加,其中SFRC增长分别是RGC、常规混凝土的1.074、1.49倍。

基于SHPB试验的海冰动态力学性能研究

为研究海冰在高应变率下的动态力学特性,使用分离式霍普金斯压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置,对2种海冰试件进行动态冲击试验,并采用三波法对试验数据进行处理,得到了海冰试件的应力-应变关系以及能量耗散规律,并对海冰破碎能耗特性进行总结。试验结果表明:在应变率为53.2~229.6 s-1的区间内,海冰的动态抗压强度为17.1~40.0 MPa,相同气压下,1.0长径比海冰试件的应变率与峰值应力均小于0.5长径比的海冰试件;海冰试件受压应力作用,最终表现出塑性压剪破坏特征;应变率较小时,由于冰的黏性,海冰破坏后仍保持一个整体,随着应变率增大,试件断裂破碎为不同大小的碎块;2种长径比试件应变率对海冰的动态破坏的能量吸收率ω均具有较大的影响,但能量吸收率ω与应变率的关系曲线表现出不同的趋势。

SHPB试验技术需要注意的几个问题

霍普金森压杆(SHPB)实验技术作为材料动态力学性能测试的有效手段,广泛地应用于材料的动态力学性能研究。本文系统地综述了SHPB实验技术当前存在的主要问题,并在此基础上提出解决问题的基本思路与方法。具体包括实验技术的基本原理、实验装置及数据处理方法的改进。

SHPB模块化高低温测试系统设计

为了高效可靠地获得材料在高低温下的力学性能,基于典型的霍普金森压杆,建立了一套可移植性较强的模块化高低温测试系统。该系统由加载杆自动组装系统、非接触式高温加热系统及高效率低温环境箱组成,可实现试样的自动化加载,减少了手动作业带来的温差影响。相对于传统高低温测试方案,高温系统采用非接触式加热,减少了加载杆温度场对实验结果的影响;低温环境箱可实现多样品同时制冷,在不打开环境箱的条件下实现测试样品的更换与回收,大大提高了测试效率。基于高低温测试系统,完成了不同材料在不同应变率及温度条件下的动态压缩强度测试,测试结果真实稳定。

基于LS-DYNA的砂岩动静组合SHPB数值模拟

为了研究动静组合SHPB加载下砂岩变形破坏、能量演化特性,运用LS-DYNA软件建立相关数值模型,在满足一维应力和应力应变均匀化假定的前提下,以轴压和围压为变量进行模拟分析.模拟结果表明:轴压比小于0.4时,砂岩动态抗压强度表现出线性率效应,轴压和围压使得砂岩发生压剪破坏和层间错动破坏,对砂岩能耗规律影响较大,但单一能量的变化趋势几乎不受影响;一维动静组合模拟中,轴压为20 MPa时,随着加载应变率的增加,能量利用率先增加后减小,轴压为40 MPa时,能量利用率持续下降;三维动静组合模拟中,围压对于能量利用率的影响规律较为复杂,但总体上呈下降趋势.