深部岩石动力学SHPB实验研究进展

深地岩石工程中,岩石处在高地应力、高温、高孔隙压力赋存状态以及动态扰动作用下,其稳定性被显著劣化,严重危害工程安全。近年来,研究人员在考虑原位应力和孔隙压力(差)的深部岩石动力实验方面取得了很大进展,因此有必要系统地回顾和总结这一领域的新进展。介绍了分离式霍普金森压杆(SHPB)的发展简史以及深部岩石动态实验的概况,包括实验装置、方法和结果的新进展。全面介绍了三轴围压SHPB系统与流固耦合SHPB系统的原理,以及相关的前沿应用和实验结果,包括多种应力状态和流固耦合条件下岩石动态强度和断裂韧度的实验方法和结果,总结了不同原位条件下深部岩石的动态破断机理与特征,相应成果为深部岩石工程的发展提供了重要的理论基础。

用HJC本构模型模拟混凝土SHPB实验

运用Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型对混凝土的SHPB实验进行了数值模拟。解决了罚函数算法中罚因子合理数值的选取问题。利用模拟结果按SHPB两波法重构了试样的应力应变曲线。分析了混凝土材料的SHPB实验得到应力应变曲线的有效段范围和各段的力学规律。通过比较实际混凝土材料SHPB实验和数值模拟得到的应力应变曲线,发现两者体现的力学行为很相似,即HJC模型是描述该类材料的一种合理本构模型。模拟了试样不同平行度公差下的SHPB实验,发现在一定应变率范围内其影响程度远大于试样应力(应变)不均匀性。

SHPB实验中端面摩擦效应研究

选取硅橡胶、聚氨酯泡沫、Comp.B炸药、PBX-HMX(97%)炸药以及6061-T6铝合金五种材料试样,对分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术中的端面摩擦效应进行了研究。实验结果表明,SHPB实验技术中的端面摩擦效应与材料的性质相关。另外,基于各向同性弹性理论,运用能量守恒法对SHPB实验中的端面摩擦效应进行了机理分析,研究表明,材料泊松比、端面摩擦系数、试样长径比、轴向应变是SHPB实验中影响端面摩擦效应的四个因素。

SHPB实验中试样形状和尺寸效应的数值模拟

文章采用有效的方法讨论了动态接触算法中罚函数因子K的合理数值,在此基础上,利用LS-DY-NA3D有限元动力分析软件模拟了SHPB实验过程。对于不同的试样长度、直径以及不同环厚的环形试样,分别对模拟结果进行了应力-应变曲线重构;发现当试样与压杆横截面不匹配时,SHPB实验将产生较大的误差,尤其是对于环形试样;同时发现对于小直径试样的SHPB实验存在一个极限误差;研究结论将对SHPB实验中试样尺寸的确定提供借鉴。

用于高强度材料的SHPB实验添加垫块法

提出了用于高强度材料的改进的SHPB实验方法添加垫块法,运用数值模拟方法,利用有限元程序LS-DYNA3D分析了添加垫块实验方法的合理性和可行性。根据一维应力波理论,给出了数据处理的修正方法。作为应用实例,采用改进的实验方法对高强度的Al2O3陶瓷材料的动态力学性能进行了研究,得到了比常规方法较高的应变率及应力应变范围的动态应力应变曲线,表明Al2O3陶瓷为应变率相关的非线性弹脆性材料。结果表明,添加垫块实验方法可有效地防止实验中压杆端面的变形,提高试件的应力应变及应变率水平。添加垫块实验方法为在SHPB装置上实现高强度材料的动态实验提供了一种方便实用的途径。

确定SHPB实验中延迟时间的曲线拟合法

利用已知的试件密度 ,用预估的透射波与实测的透射波进行早期形状比较 ,确定试件弹性波速度 。

一种适用于低体模量材料的被动围压SHPB实验设计

基于动态三轴被动加载实验技术,建立了一种可测量吉帕量级及以下低体模量材料压强-体应变关系的被动围压SHPB实验设计方法。在该实验设计中确定了样品、封装垫块、围压套管的尺寸以及尺寸间的匹配,并对实验压强进行了限制。通过比较传统SHPB实验和被动围压SHPB实验测量LC4铝合金等效应力的方式,验证了被动围压SHPB实验压强测量的有效性;通过实验和数值模拟分析,验证了体应变测量的有效性。将设计的被动围压SHPB实验方法应用于铈,得到了铈在伽马→阿尔法相变区间完整显示的压强-体应变演化信息,且相变起始和终止压强、相变体积变化量均与静高压实验结果基本一致。这说明设计的被动围压SHPB实验方法适用于测量低体模量材料的压强-体应变关系。

软材料的SHPB实验设计

通过对SHPB实验中加载波波形进行控制设计 ,实现软材料试样在加载过程中的应力平衡和常应变率加载 ,从而保证SHPB实验的前提条件。采用这种方法研究了两种材料的高应变率本构 ,实验结果表明 :设计的方法是行之有效的。

塑料SHPB实验中的端面摩擦效应

基于H.Meng的动摩擦实验结果,建立了一个端面动摩擦模型,以描述端面动摩擦因数随SHPB塑料试样与钢压杆接触界面间最大径向相对滑动速度的关系。在SHPB实验的数值模拟中,分别考虑了该端面动摩擦模型和以往被广泛采用的常摩擦因数模型,结果发现,选取不同的端面摩擦模型不影响通过塑料SHPB实验的数值模拟获得的转折应变率(量级为102 s-1),然而当应变率超出转折应变率以上时,不同的端面摩擦模型会对塑料SHPB实验的数值模拟结果产生显著影响,使用提出的端面动摩擦模型可得到更准确的塑料SHPB实验的数值模拟结果。

再生混凝土的SHPB实验及能量耗散分析

文章采用分离式Hopkinson压杆装置对再生粗骨料取代率分别为0%、30%、50%、70%、100%5种试样,在不同应变率下进行单轴受压动态力学性能试验,采用波形整形和试样直测应变技术获得可靠的实验结果。结果发现,随着应变率提高,再生混凝土的动态强度显著增加,但随骨料替代率呈现非单调的变化;各系列再生混凝土试样的耗散能随应变率增加,均呈现显著单调的线性增加变化,且随骨料替代率的增加,试样耗散能的增长幅度减小,反映了再生骨料自身缺陷导致试样损伤软化的特点。

砂浆材料SHPB实验及惯性效应的数值模拟研究

进行了砂浆材料在不同应变率下的SHPB实验,拟合实验数据得到了动态强度放大因子DIF随应变率变化的关系曲线。基于实验测得应变率时程曲线,采用简化有限元模型,对实验进行了数值模拟。该文探讨了动态压缩实验中惯性效应产生的原因,并基于数值模拟对本实验中惯性效应对材料动态强度的影响进行了剥离,得到了砂浆材料动态强度放大因子随应变率变化的固有特性曲线,并将该固有特性曲线作为数值模拟中应变率效应的输入,计算结果与实验得到的应力-应变曲线吻合较好。进一步通过比较输入CEB推荐曲线和已有半经验公式的模拟结果,验证了所提出砂浆材料动态强度放大因子固有特性曲线的优越性。

基于ANSYS软件对SHPB实验过程的数值模拟研究

为更好地研究分离式霍普金森压杆(SHPB)实验数值模拟中应力传播问题,基于ANSYS/LS-DYNA软件建立SHPB的数值三维模型,对SHPB实验过程中不同速度子弹入射进行力学性能仿真计算,并将结果与试件的力学性能进行比较。研究结果表明:ANSYS/LS-DYNA软件能有效地模拟SHPB实验,得到有效的试件应力–应变曲线;通过精细网格的方式,结果的精确度显著提高。

基于SHPB实验的煤层气固井水泥动态力学特性

为模拟射孔对固井水泥冲击破坏作用,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对煤层气常规、纤维固井水泥实样实施高速冲击加载。结果显示:常规固井水泥动态应力-应变曲线卸载阶段斜率较陡,反映材料为脆性断裂;而纤维固井水泥应力-应变曲线卸载阶段斜率平缓,表现出塑性材料破坏形式;常规固井水泥在动态压缩强度、峰值应变上高于纤维固井水泥,对冲击气压条件反应敏感,指示常规固井水泥脆性强烈;纤维固井水泥动态弹性模量与能量耗散效率方面优于常规固井水泥,与内部纤维自调节能力有关;高速冲击下常规固井水泥实样以劈裂式张性破坏为主,实样破碎严重、破碎块度细且易形成辐射型破坏;纤维固井水泥在低冲击气压下以剪切破坏为主,高冲击气压下以压碎式破坏为主;冲击中纤维固井水泥由于纤维拉拽、纤维-水泥界面解离等效应提升了材料的吸能效率和抗冲击性能,对于保障深部煤层气井固井水泥完整性,提升煤层气藏排水降压效率具有实际意义。

SHPB实验装置发展

近些年来国内几乎没有关于SHPB实验装置发展状况的全面介绍资料。为了国内大专院校、科研院所和研究学者能够更好地分析、设计和了解SHPB实验装置,在收集大量的参考资料,回顾试验机的发展历史,深入调研和分析近几年SHPB装置发展的基础上,总结并介绍了国内常规SHPB实验装置的发展状况,同时提出了其所存在的问题。列举了具有代表性的部分用户改进的SHPB实验装置及其试验。相关内容既可以为研制SHPB提供参考,也可以为用户选购试验机提供帮助。

SHPB实验中试件应变均匀性的解析分析

本文利用一维应力波理论，对ＳＨＰＢ实验中试件的应变均匀性进行了解析分析，结果表明试件中存在着严重的应变不均匀性，现有的实验结果处理方法有待进一步完善。本文给出了实验特性参数的估计关系式。

分散的混凝土SHPB实验数据归一化方法研究

针对混凝土SHPB实验数据分散性的问题,文章结合不同的实验结果提出了一种可以显著改善分散性的归一化处理方法。SHPB实验装置通常被用于获得应变率为10^1-10^3s^-1下的混凝土材料的动态压缩强度,但是在SHPB实验中,混凝土的动态压缩强度受到应变率效应、端部摩擦效应和惯性约束效应等主要因素的影响,这些因素的存在导致了实验数据具有明显的分散现象。为了量化目前实验技术无法定量分析的惯性约束效应,借助率无关材料本构模型进行数值计算,探索不同体积试样的惯性约束效应之间的关系;为了消除不同体积试样所引起的惯性约束效应对实验数据的影响,理论推导不同体积试样的惯性约束效应对实验数据的贡献关系式;利用关系式重新整理实验结果获得试样体积归一化的实验数据,即可得到分散性显著改善的实验数据,这有利于学术研究和工程应用。

岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹动态扩展SHPB实验及数值模拟研究

为了研究Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹动态扩展问题及裂纹止裂问题,侧开单裂纹半孔板(single cleavage semi circle compression,SCSCC)试样采用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统进行冲击,完成SCSCC试样I–II复合型裂纹动态断裂实验,并针对实验进行数值分析,研究其扩展路径。为了验证数值模拟的可靠性,不仅进行有限尺寸中心裂纹板受冲击拉伸作用的动态有限差分法分析,而且在对SHPB实验进行数值分析后,将模拟监测点应变值与实验中入射杆应变片测得的应变值进行比较。结果表明:(1)验证分析中应力强度因子结果与其他测试的结果比较吻合,同时,模拟监测点记录下的应变值与SHPB实验中入射杆应变片记录下的应变数据相比较,两者吻合程度很高,说明使用数值方法模拟SHPB实验的可行性;(2)数值模拟的裂纹扩展路径与SHPB实验裂纹扩展路径基本吻合;(3)SCSCC试件在扩展过程中,裂纹尖端存在短暂停留现象,并最终朝着试件中轴线方向(最大应力区)移动;(4)SCSCC试件是一种便于研究裂纹动态扩展问题的构型,可以有效地求解不同复合程度的I–II复合型裂纹问题,为后续的止裂研究提供基础。

煤岩材料SHPB实验被动围压数值模拟研究

煤岩动力灾害严重威胁着煤矿的安全高效生产,研究煤岩材料在复杂应力状态下的动态力学性能对煤岩动力灾害的预测预防有重要意义。利用有限元分析软件LS-DYNA,采用岩石的Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型,对煤岩SHPB实验进行数值模拟,在模拟结果与实验结果相似性较好的基础上,对煤岩SHPB被动围压实验进行数值模拟。结果表明:围压套筒的弹性模量、厚度、摩擦因数及套筒与试件的间隙对煤岩材料的动态力学性能有显著影响。根据研究成果,在工程中可为煤柱增加一外加层,通过合理设计外加层的弹性模量、厚度、间隙及摩擦因数等参数,增强煤柱的抗冲击能力。

混凝土材料SHPB主动围压实验的数值模拟

文章利用LS-DYNA软件,采用混凝土HJC动态本构模型,对Φ74mm分离式变截面霍普金森压杆主动围压实验做了数值模拟;通过在试件径向施加恒定压力的方法模拟主动围压的作用,试件单元的压力时间历程曲线显示该方法可以获得恒定、均匀的围压值,即该方法可以对SHPB主动围压实验进行合理的模拟;利用上述主动围压模拟方法对混凝土材料主动围压下的力学性能进行了研究,模拟时采用弥散较小的三角形速度波加载,并利用波形良好的入射波、透射波重构了混凝土的应力应变曲线,重构结果显示混凝土材料在围压作用下力学性能发生变化,混凝土峰值应力、峰值应力对应的应变、韧性都随围压的增大而增加,与理论结果相符。

SHPB冲击压缩实验中泡沫塑料应力均匀化过程的数值模拟

对SHPB实验中泡沫塑料的本构关系进行了分段线性化处理,基于一维弹性应力波理论用数值方法对变形过程进行了模拟。结果表明,实验初期试件处于严重的应力不均匀状态;并且由于试件与输入/输出杆的界面处存在波阻抗不匹配现象,实验中后期的应力均匀化程度也无法得到有效提高;若将子弹及输入/输出杆的材料更换为刚度较低的聚合物,可有效地减少波阻抗不匹配的程度,从而使实验中后期的应力均匀化水平得以大幅度提高,但实验所能够达到的最大应变值可能受到限制。