三维动静加载下煤的本构模型及卸荷破坏特征

为研究非静水压条件下煤体动力学性能及动力扰动后卸荷破坏特征,在三维动静加载实验的基础上,研究了卸荷方式对动力扰动后卸荷煤样宏观破坏特性的影响。首先,采用Ф50 mm的分离式霍普金森压杆系统,开展三维动静加载下煤样的动力学实验,研究轴压、应变率对煤样动力学响应规律的影响;其次,基于响应曲面理论,借助中心复合试验法,构建考虑因素交互作用的回归模型,并分析单因素及因素交互作用的显著性;然后,结合因素交互作用、Weibull分布、Drucker-Prager准则,修正煤的强度型统计损伤本构模型,对比理论与实验结果,验证模型可靠性;最后,借助加卸荷电液伺服装置,探究轴压、冲击气压、卸荷方式对煤样破坏特征的影响及作用机制。结果表明,构建的强度型统计损伤模型,相关系数R~2≥0.88,可表征煤样动力学响应行为。冲击后同步卸荷的煤样多呈层裂破坏,拉伸界面随轴压增大而后移直至消失,无法形成层裂破坏;非同步卸荷下煤样破坏形式主要包括整体完整、层裂、压剪破坏,而当冲击气压0.4~0.6 MPa,轴压14.5 MPa时,表现为“层裂+压剪”混合破坏。

材料在准一维应变下被动围压的SHPB试验方法

本文提出了改进的 SHPB被动围压试验方法 ,可用于研究材料在准一维应变下的动态力学响应 .分析中计及了试样的径向变形 ,并讨论了试验结果与围压套筒材料性质、几何尺寸等的关系 ,从而可进一步推得材料的动态泊松比 ν2 、动态杨氏模量E2 、动态剪切模量 G以及动态压缩强度 Y.又分析了试验中的摩擦力效应及其对围压下轴向应力应变关系的影响 ,完成了对材料弹性常数的修正 .

SHPB数据处理中的二波法与三波法

分析了传统的分离式霍普金森压杆测试数据处理方法(二波法)及其他被提出的改进方法的误差及优缺点,给出了传统二波处理方法在不同被测材料情况下所带来的误差。分析结果表明,基于绝对时间下的试件应力及应变计算的三波处理法具有最好的可信度且能最大程度地避免数据处理过程中的人为因素。传统二波法在不同测试情况下均不是优选的方法。对于三波测试无法进行的情况,也提出了一种简化三波处理方法。

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。

混凝土在准一维应变下被动围压SHPB的模拟研究

采用量纲分析和有限元计算的方法,研究了混凝土材料在被动围压分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)试验中出现的应力增强效应,定义了能够描述应力增强效应的应力增强系数.通过LS-DYNA有限元计算程序分析了不同材料及尺寸的围压套筒对应力峰值的影响,结果表明:应力峰值随套筒与试件弹性模量比、厚度半径比的增大而增大,随间隙半径比的增大而减小.最后通过改变试件与压杆、试件与套筒之间摩擦系数的方法,研究了摩擦效应对应力峰值的影响.研究结果对被动围压SHPB试验有一定的指导意义.

SHPB实验试件横截面积不匹配效应的研究

利用有限元计算和量纲分析的方法,分析了在硬质材料测试中因试件与杆横截面积失配而出现的二维效应,并提出了平面二维效应和凹面二维效应的概念。分析结果表明,平面二维效应的影响可忽略不计,而凹面二维效应的影响是最主要的。研究结果对试件与杆横截面积失配情况下的SHPB实验有一定的指导意义。

基于HHT法的煤冲击破坏SHPB测试信号去噪

针对分离式霍普金森杆(SHPB)测试信号的高噪声、持时短、突变快等特点,利用希尔伯特-黄变换(HHT)分析技术对煤冲击破坏的测试信号进行去噪处理。用经验模式分解法(EMD)分解实测的煤冲击破坏SHPB测试信号,可以得到各固有模态函数(IMF)分量及其频谱和各IMF分量的能量百分比,从而利用低通滤波将原始信号中的高频噪声有效的分离出去。利用快速傅里叶变换(FFT)频谱和Morlet小波时频谱对比分析去噪前后信号的特征,定性的说明HHT法可以用于煤冲击破坏SHPB信号的去噪处理。通过计算去噪后信号的信噪比和能量百分比,定量的说明HHT法充分保留了煤冲击破坏SHPB信号本身的瞬态非平稳特征,去噪效果显著,方法简捷,结果可靠。

SHPB试验中粘弹性材料的应力均匀性分析

采用特征线解法,对满足ZWT方程的粘弹性材料在高应变率SHPB试验中的应力均匀性进行了数值研究。着重分析了不同的材料本构粘性(松弛时间)、瞬态波阻抗比和入射波升时对于试样中应力均匀性、应变均匀性和平均应变率等的影响。为今后动态试验的试样设计提供了一定的理论依据。

率相关混凝土类材料SHPB试验的若干问题

对于断裂应变很小的混凝土类材料,在SHPB冲击试验中试样断裂前的应力是否达到均匀是冲击试验是否有效的一个关键。以水泥砂浆为例,采用弹性和ZWT粘弹性两种本构模型,通过特征线解法对高应变率SHPB试验过程中的加卸载应力均匀性进行了分析。发现入射波升时对脆性粘弹性材料的应力均匀性有影响,其中以τs/tL=2时最好,升时再延长反而对应力均匀化不利。采用不同升时加卸载时,应力幅值对于试样中应力均匀性没有影响,但对试样中应变和应变率的大小有影响。并且发现用常规的SHPB技术难以获得率相关脆性材料较可靠的应力-应变关系,但在应力均匀化后测得的动态断裂应力值是可靠的。

软材料和松散材料SHPB冲击压缩实验方法研究

针对采用SHPB装置研究泡沫等软材料和黄土、砂等松散介质的动态特性时存在的实验技术问题,提出利用钢套筒约束试件横向变形的方法,在SHPB冲击加载装置上实现材料准一维应变实验,研究了上述材料在准一维应变条件下的动态力学特性。本文同时指出,可以通过引入一约束系数描述试件一维应变条件的满足程度,并指出钢套筒的横向变形对实现试件一维应变的影响不大。在此基础上,进行了相关实验研究,说明了该实验技术能较好地满足软材料或松散介质力学性能研究工作的需要。

月壤水冰模拟样本SHPB试验及反射波特性分析

高强度的月壤水冰组构通常采用高频冲击钻进、高速动能侵彻等方式实现原位探测,探测机具与月壤水冰组构之间存在复杂的动力学关系,探测机具在设计的过程中应充分考虑月壤水冰的动力学特性。提出一种利用分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)实现超低温月壤水冰模拟样本的动力学特性测试的试验方法。利用SHPB试验系统,对–170℃极低温状态下3种不同含水率的月壤水冰模拟物开展了动态力学特性测试。通过分析试验结果,得到了不同应变率条件下月壤水冰模拟物的强度参数,总结出了月壤水冰模拟物应变率增强效应的规律;结合不同含水率样本SHPB试验的反射波频谱特性存在明显的差异的特性,提出一种基于钻具冲击反射波特性的月壤水冰含量辨识方法。可为月球水物质“探–采–用”探测器系统的研制工作提供有效参考。

用SHPB径向冲击边裂纹平台圆环(ECFR)的动态断裂实验

为了研究岩石的Ⅰ型动态断裂韧度测试方法,用大直径(100 mm)分离式霍普金森压杆(SHPB)对边裂纹平台圆环(edge cracked flattened ring,ECFR)砂岩试样进行径向冲击实验。分别用普通应变片和高精度裂纹扩展计2种测试元件监测试样起裂时刻和测定裂纹传播速度,比较了它们的准确性和合理性。用实验-数值结合普适函数分析测定了砂岩的动态起裂韧度和动态扩展韧度,初步探讨了动态加载率影响动态起裂韧度的原因,以及裂纹扩展速度对动态扩展韧度的影响,对ECFR试样裂纹扩展路径弯折现象也进行了理论分析。研究结果表明:裂纹扩展计测定比应变片更为灵敏、准确、合理。加载率在(0.74~4.48)×104MPa·m1/2/s范围内动态起裂韧度随动态加载率的增大而增大,裂纹扩展速度在(0.24~0.34)cR范围内动态扩展韧度随裂纹扩展速度的增大而提高。

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。

软硬介质组合岩体冲击动力学特性研究

为探究破岩和支护工程中较为常见的软硬介质组合岩体的冲击动力学特性,采用普氏系数差别较大的花岗岩和砂岩拼接成软硬介质和单介质组合岩体,利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验系统,分别对组合岩体进行冲击压缩试验,对比分析应力波入软硬介质和单介质组合岩体的波动特性、峰值强度以及利用高速相机记录组合岩体裂纹扩展形态。通过离散格子弹簧法(discrete lattice spring method,DLSM)数值模拟进行全方位的反演分析,研究软硬介质组合岩体胶结面两侧岩石的应力时程曲线变化规律,并利用“软硬组合系数”表征软硬介质组合岩体损伤演化规律。研究结果表明,组合岩体的波动特性具有明显的波阻抗效应,组合体和入射杆波阻抗匹配效果越好,反射波幅值越小,透射波幅值越大。相同冲击速度下,软硬介质组合岩体的峰值强度与单介质软岩组合体的峰值强度较为接近;软硬介质组合岩体和单介质组合岩体破坏程度和破坏形式明显不同:软硬介质组合岩体裂纹首先出现在远离胶结面的砂岩端部,而单介质组合岩体裂纹首先出现在胶结面处。单介质组合岩体以剪切破坏为主,局部张拉破坏为辅,破坏较为彻底。软硬介质组合岩体中较软的砂岩发生剪切破坏,而较硬的花岗岩没有明显破坏。软硬介质组合岩体胶结面两侧岩石应力随着时间变化呈现上升-下降-上升-下降的反复现象。而单介质组合岩体胶结面两侧岩石在到达应力峰值后,随即应力开始下降,未出现应力反复现象。软硬介质组合岩体的损伤度D与软硬组合系数γ呈二次函数关系:D=-0.21γ^(2)+0.69γ+0.06。

夹层材料对软硬介质组合岩体动态力学特性的影响

为研究不同夹层材料下软硬介质组合岩体的动态力学性能及变形破坏特征,以砂岩和花岗岩为软硬岩基质,利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置,并通过离散格子弹簧法(discrete lattice spring method,DLSM)数值模拟,探究了不同夹层材料下岩体裂纹扩展、夹层界面处的反、透射特性及岩体中能量分配特性。结果表明:不同夹层材料岩体的动态强度增长因子随着岩体动态抗压强度增大而增大,表现出明显的动态抗压强度依赖性。不同夹层材料岩体在加载初始阶段存在明显的非线性段,无夹层岩体砂岩内部闭合的孔隙及裂隙在应力开始作用阶段最久且非线性段最长。随着夹层材料强度的增大,夹层对岩体的裂纹扩展和发育的阻碍能力逐渐较弱,岩体产生裂纹和破坏需要消耗的能量逐渐降低。夹层岩体的破坏开始于夹层胶结面处,随着夹层材料强度的增大,软岩靠近胶结面一侧破坏逐渐加剧,硬岩无明显破坏。含夹层岩体具有很好的削波作用,随着夹层材料强度的降低,两端面应力峰值在逐渐降低,夹层岩体短时间内获得的能量吸收密度增大,稳定性降低,容易被破坏。

热冲击对花岗岩动态断裂行为的影响研究

为了研究热冲击对加热花岗岩的影响,使用3种冷却方法来提供不同的冷却速率,对花岗岩试样施加不同程度的热冲击作用。通过分离式霍普金森压杆(SHPB)系统对热冲击处理后的花岗岩半圆盘中心直裂纹三点弯曲(NSCB)试样进行冲击断裂试验,并利用高速摄像机记录了试样的断裂模式。试验结果表明:随着试样温度和冷却速率的提升,试样的干密度和纵波波速显著下降,试样的孔隙率加大。试样的断裂韧度变化及破坏模式表明热冲击作用使花岗岩试样受到冲击力时抗裂纹扩展的能力下降,尤其在冲击载荷的加载率高于130 GPa·m^(0.5)/s时下降尤为明显。

PVDF应力测量技术及在混凝土冲击实验中的应用

介绍了使用PVDF(polyvinylidene fluoride,聚偏二氟乙烯)应力计的应力直接测量技术。在SHPB装置上进行自制PVDF应力计动态压电系数的标定实验,分析了应力集中、横向泊松效应、摩擦效应对PVDF应力计信号及动态压电系数的影响。用PVDF应力计进行了混凝土的冲击压缩实验。利用混凝土前后端面PVDF应力计信号分析了实验过程中混凝土试样的应力均匀性。与应变计直测应变技术相结合得到了混凝土的动态应力-应变关系。

单一试件确定岩石动态抗压强度的方法

通过从破裂形态、能量吸收和力学参数这三个方面对岩石在中、低应变率下的动态破坏机理的分析,提出了一种快速计算岩石动态抗压强度的方法。采用拟静力法结合虚功原理建立关系式,认为外力对岩石所作的功超过了岩石发生的内部能量损耗,岩石无法承受该外荷载而发生破坏。因此动态抗压强度σ_(cd)等于静态抗压强度σ_c与应变率效应导致的强度提高值之和。最后将动态抗压强度计算值与已有文献的实验解进行对比,吻合度良好。

加载速率对岩石动态断裂韧度影响的实验研究

为了获得岩石在高加载速率作用下的动态断裂韧度值并分析加载速率的影响,由分离式霍普金森压杆入射杆杆端附加劈尖及其基座对边切槽圆盘试样施加动态劈裂载荷。把应变片粘贴在裂纹尖端附近获得裂纹扩展时间;将劈裂载荷时间历程及裂纹扩展时间输入有限元计算模型,获得试样的起裂动态断裂韧度值。结果表明,在加载速率18.85×104MPa.m1/2s-1以下,大理岩的动态断裂韧度值随着加载速率的增大而上升,但上升趋势逐渐减弱。断裂韧度数值在高加载速率下呈现出明显的离散性。

锥杆中应力波传播的放大特性

从变截面杆中一维应力平面波的无量纲控制方程组出发,采用特征线数值解法分析了应力波在锥形杆段中的传播特性,讨论了无量纲参数和对透射波放大系数和波形的影响,为应力波放大器的合理设计提供了理论依据。在Hopkinson压杆装置上对锥杆中的应力波传播进行了实验研究。理论分析计算和实验研究结果一致地表明原先由Leftheris提出的计算公式和有关结论是错误的。