岩石静态和准动态加载应变率的界限值研究

为研究岩石材料静态和准动态加载试验的应变率界限值,以若干硬岩试件在不同应变率加载条件下的试验数据为基础,借助统计学理论与方法,定量分析岩石动态抗压强度与静态抗压强度之比值与应变率的相关性大小,得到硬岩试件的强度参数与应变率之间的规律性关系,进而得到岩石材料静态和准动态加载试验的应变率界限值,即加载应变率<5×10-4s-1时为静态试验,此时均保持在1.00附近,近似为常数,岩石强度与应变率无相关性;5×10-4s-1<<102s-1时为准动态试验,此时与应变率为幂函数关系,岩石强度与应变率表现出较强或显著相关的特性。

不同应变率加载下硅的高压相变行为

高压相变是凝聚态物理、地球与行星科学、材料科学等领域关注的核心问题之一,而加载应变率是相变动力学过程的重要影响因素。由于动态加载下物质相结构原位诊断技术的不足以及宽广加载应变率下物质高压相变系统实验研究的缺失,难以开展基于原子尺度物理机制的相变动力学过程建模和数值模拟研究。由于硅的高压相极其丰富,且拥有大量亚稳相,动力学因素在其高压相变过程中发挥着至关重要的作用,因此,硅是研究高压相变动力学的理想材料,对普适相变动力学过程的理论建模具有重要意义。以硅为例,介绍其在准静态、中等应变率和高应变率加载下的相变行为,探讨加载应变率对其高压相变行为的影响。

墨鱼骨结构的力学行为及其应变率效应

墨鱼骨是一种墨鱼内部产生的生物矿化壳,通过调节壳内的气液比从而实现墨鱼的深浅浮动,同时满足轻质和高刚度的力学特性,使墨鱼能够很好地适应深海环境,所以墨鱼骨是一种典型的高比刚度的多孔材料。为探究墨鱼骨结构的力学性能,通过Instron材料试验机和分离式Hopkinson压杆实验装置,对墨鱼骨在不同加载应变率下的力学行为进行研究。研究结果表明,墨鱼骨在准静态加载下,其应力-应变曲线呈现典型的三阶段变化模式,即弹性段、平台段和压实段,具有很好地吸能缓冲作用;随着加载应变率的提高,墨鱼骨的初始压溃应力和平台应力也随之增加,表明墨鱼骨材料对加载应变率存在很强的敏感性。进一步分析不同生长方向的墨鱼骨在准静态压缩下的力学行为,结果表明随着生长方向的增加,墨鱼骨结构的刚度和吸能性能都得到了弱化,从而揭示了墨鱼骨材料压缩行为的各项异性。

Φ100mm SHPB应力均匀及恒应变率加载试验技术研究

大直径分离式霍普金森压杆（SHPB）试验装置被越来越多地应用于混凝土等脆性材料的高应变率力学性能研究，试件在破坏前，满足应力均匀分布要求，且保持恒应变率加载，是保证SHPB试验有效性及试验结果可靠性的关键。以提高试验结果准确性为研究目标，以C50素混凝土的SHPB试验为例，采用Ф100mmSHPB试验装置，对试验中的应力均匀及恒应变率加载技术进行研究，包括波形整形器的设计、近似恒应变率的估算、最佳近似恒应变率的确定以及应力均匀性检验。结果表明：厚度为1mm，直径分别为20mm、25mm、30mm、35mm的H62黄铜波形整形器对入射波形有明显的改善效果，可将入射脉冲上升沿的升时延长1～2倍，且波形呈半正弦状；应变率对于波形整形器的直径很敏感，随着整形器直径的增大，最佳近似恒应变率也在增加，一个几何尺寸的波形整形器只能对应于一个最佳近似恒应变率，且与整形器的直径之间满足线性函数关系。

高压高应变率加载下多晶相变的原位X射线衍射

高功率激光可通过直接烧蚀产生高温、高压、高应变率的物质状态,同时也可驱动金属箔产生与之精密同步的超短超强X射线源,成为利用原位X射线衍射技术研究材料在极端高温、高压、高应变率下相变动力学的重要实验平台.本文基于原型高功率激光装置建立高压、高应变率加载下材料相变的原位X射线衍射诊断平台,并以典型金属钒和铁为例开展冲击相变的原位观测.实验表明,在高应变率(10^8-10^9s^-1)冲击加载下,金属钒在69 GPa时依然保持体心立方结构不变,而金属铁在159 GPa时已经由体心立方结构转变为六角密排结构,均与文献报道一致.同时原位X射线衍射实验测量的材料压缩特性与宏观Hugoniot曲线符合得很好.利用原位X射线衍射技术研究高应变率动态加载下材料的相变行为对理解材料相变的应变率效应和动力学过程具有重要的科学意义,同时对提高材料工程服役的可靠性以及突破材料极端环境服役的发展瓶颈具有重要的工程价值.

高应变率压缩加载下LY12铝圆管的剪切断裂研究

通过回收破片的断口观察和金相分析研究了LY1 2铝圆管在高应变率压缩过程中的剪切断裂现象 ;回收破片具有典型的剪切断裂特征 ,断口与径向近似成 45°夹角 ,断口观察发现断口面经历过径向摩擦 ;破片金相分析表明 ,绝热剪切带和裂纹首先在圆管内壁附近产生 ,然后沿最大剪应力线向外壁扩展。利用数值计算给出了圆管在内爆压缩加载下管壁内微元的应力、应变历史 ,为分析LY1

脆性材料SHPB实验中脉冲整形技术实现近似恒应变率加载功能的进一步研究

基于分离式霍普金森压杆实验和数值模拟,对脆性材料在SHPB实验中是否需要实现近似恒应变率加载进行了研究。结果表明,在脆性材料的SHPB实验中,即使整形入射应力波在反射应力波中产生了一个近似平台,脆性材料试样中仍旧存在显著的由惯性产生的径向围压。所以,在脆性材料的SHPB实验中应用脉冲整形技术,并不能改变转折应变率表征SHPB试样中应力状态由一维应力状态向多轴应力状态的转变。无论是否采用了脉冲整形技术,应用脆性材料的SHPB实验结果时,都应该考虑惯性引起的径向围压的影响。

脆性材料SHPB试验中实现近似恒应变率加载必要性的研究

基于分离式霍普金森压杆(SHPB)试验的数值模拟,对脆性材料SHPB试验中是否需要实现近似恒应变率加载的必要性进行了研究。结果表明在脆性材料的SHPB试验中,即使整形入射应力波在反射应力波中产生了一个近似平台,脆性材料试样中仍旧存在显著的由惯性产生的径向围压,说明在SHPB试验中实现了由反射应力波中的近似平台所表征的近似恒应变率加载也不能表示SHPB试样中的应变率为近似恒定。因此,在脆性材料SHPB试验中应用波形整形技术并不能改变转折应变率表征SHPB试样中应力状态转变的特性。无论是否采用了波形整形技术,应用脆性材料SHPB试验结果时都应考虑惯性引起的径向围压的影响。

粗晶大理岩单轴压缩力学特性的静态加载速率效应及能量机制试验研究

加载速率对岩石力学性质具有重要影响,影响的程度与岩石本身的微结构和加、卸载应力路径及状态等密切相关。基于静态加载速率范围内的9个不同等级应变率下粗晶大理岩单轴压缩试验,研究加载应变率对岩石的应力–应变曲线、破坏形态、强度、弹性模量及变形模量与应变能耗散及释放的影响规律,探讨岩石损伤演化的能量机制。根据总体积应变及裂纹体积应变与起裂及扩容应力的相关性,确定各应变率下岩石起裂及临界扩容应力。加载应变率大约以1×10-3s-1为分界点,小于该值时应力–应变曲线峰值点附近仍存在一定的塑性屈服或流动段,超过该值后表现为"折线"型。随着加载应变率的增加,岩样破裂模式由张剪型逐渐过渡到张性劈裂甚至劈裂弹射。一般而言,起裂及临界扩容应力和峰值应力均随加载速率增大而增大,且起裂及临界扩容应力越接近峰值强度,但当应变率为1×10-4～1×10-3s-1时,上述值均出现一个相对低值区间,这与粗晶大理岩的微结构特征相关。起裂应力、临界扩容应力、弹性模量及变形模量均与峰值强度线性相关。单轴压缩下峰前能量耗散量越多,强度越高,峰后可释放弹性应变能和释放速率越大,岩石的张性贯通破裂特性愈强,破裂块数越多。能量耗散使岩石损伤而强度丧失,而能量释放使岩石宏观破裂面贯通而整体破坏。

低应变率加载速度影响脆性岩体锚固效果的试验研究

外载荷加载速度是影响锚杆支护硐室稳定的重要因素,锚固体加载速度效应的试验研究较少。锚固硐室围岩会更接近单轴受力状态,围岩压力主要为低应变率加载,结合脆性围岩锚杆支护破坏特点,对布设两根相似锚杆的砂岩进行了从0.001~0.100mm/s等5种低应变率加载速度工况下的单轴压缩试验。试验表明低应变率加载速度对加锚试样和无锚试样力学性质及破裂特征的影响是有差异的。加锚砂岩弹性模量随加载速度增加有轻微提升,所有工况下,锚固砂岩整体轴向变形量仍与无锚砂岩的轴向变形量相近;无锚试样的单轴抗压强度随加载速度增大呈递增趋势,但加锚砂岩强度随加载速度增大出现相对劣化,对加载速度的敏感性相对降低,锚杆加固增强作用减弱;各加载速度下无锚试样均最终表现为拉剪破坏,初始可见表面裂纹均为轴向张拉裂纹;加锚试样随加载速度增加会使最终破裂形式由张拉破坏向拉剪破坏过渡,初始表面裂纹由轴向张拉裂纹转变为剪切裂纹。进一步,从能量理论与加锚岩体声发射特征、锚杆与岩体相互作用等方面探讨了低应变率加载速度增大导致加锚砂岩强度劣化的机制,声发射信号表明高加载速度条件下加锚试样受载初期就会产生较大损伤,耗散能量增加,同时,高加载速度亦使岩体与锚杆间的界面载荷传递不能发挥作用。研究结果表明,锚杆支护下的冲击地压巷道应防范锚固体的扰动失效问题,推广“锚支卸”联合防冲支护措施。

直撞式霍普金森压杆二次加载技术

利用传统分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)实验技术来实现试件在较低应变率下的大变形时,需要使用超长的压杆系统,杆件的加工和实验空间限制了该技术的推广应用。鉴于此,提出一种直撞式霍普金森压杆二次加载实验技术,利用透射杆中的应力波在其末端的准刚性壁反射实现对试件的二次加载,并分析了准刚性质量块尺寸对二次加载的影响规律;采用二点波分离方法对叠加的应力波进行了有效分离和计算,在总长4 m的压杆系统中实现了1.2 ms的长历时加载,并可以准确获得试件的加载应变率曲线和应力应变关系。建立了直撞式霍普金森压杆二次加载有限元模型,数值仿真结果表明,该实验技术能有效地实现试件的二次加载,与超长SHPB系统获得的仿真结果相比较,两者的试件应力应变关系完全一致。利用该技术对1100铝合金材料进行动态压缩实验,实现了其在10^(2) s^(−1)量级应变率下的大变形动态力学性能测试。

单裂隙砂岩单轴压缩的中等应变率效应颗粒流模拟

加载速率对裂隙岩体的力学性质及变形破坏均有重要影响。利用二维颗粒流程序PFC2D开展了不同倾角非贯通单裂隙砂岩试件的单轴压缩试验,研究了中等应变率对裂隙砂岩应力-应变曲线特征、裂隙尖端应力状态、特征应力状态、岩体损伤及裂隙扩展等力学响应的影响规律。裂隙岩体应力-应变曲线呈现明显的波动性,定义应力突变指标f对应力突变型波动剧烈程度进行了定量统计分析:随应变率的增加,曲线应力突变波动越剧烈,且峰后明显大于峰前;随裂隙倾角的增大,波动幅度峰前增大,而峰后减小。裂隙尖端破裂应力随应变率增大均有所提高,随裂隙倾角的增大,切向剪应力c总体上呈增加变化,而法向应力nc明显减小。尖端破裂时岩样加载应力j、岩样临界扩容应力d及峰值应力c均随应变率增大而增大。裂隙尖端的破裂可立即引起岩体扩容,一般应变率越低,岩体裂隙尖端破裂点j和扩容点d越接近峰值强度c。随着应变率的提高,损伤裂纹及宏观裂隙类型越多,岩体试件损伤破裂程度越强,特别是试件端部效应愈显著。裂隙首先以I型翼裂纹在其尖端起裂,而I型翼裂纹的扩展长度与加载速率与裂隙倾角具有较强的相关性。

基于分数阶微积分理论的软土应力-应变关系

利用分数阶微积分理论提出等应变率加载情况下的软土应力–应变关系。关系式显示应力–应变之间呈乘幂函数关系。通过大量的常规(等应变率加载情况下)三轴试验验证基于分数阶微积分理论的软土应力–应变关系,同一种土的分数阶阶数β不随围压变化并能够反映土的"软硬"程度。试验发现,初始弹模与围压呈较好的线性关系。与邓肯–张模型相比,应力–应变的乘幂关系具有明确的理论基础,这一点与邓肯–张模型纯粹基于曲线形状相似的应力–应变双曲线假设形成鲜明的区别。创新点在于将软土看作介于理想固体和理想流体之间的物质进行研究,并用分数阶微积分理论给出应力–应变关系,这在以往的研究中都没有先例。

冻融环境下水工碾压混凝土单轴动态抗压性能研究

为研究冻融循环和加载应变率对水工碾压混凝土抗压力学性能的影响,通过室内模拟碾压混凝土坝工程配合比和施工工艺制备碾压混凝土试件,开展不同冻融循环次数(0、25、50、75次)下的冻融试验和不同加载应变率(10^(-5)/s、10^(-4)/s、10^(-3)/s、10^(-2)/s)下的单轴压缩试验,分析碾压混凝土冻融表观特征及加载破坏形态,研究冻融循环次数和加载应变率对抗压力学性能的影响规律;并基于多元回归分析方法,构建抗压强度、峰值应变、应力-应变曲线与冻融循环次数和加载应变率的相关关系。结果表明:碾压混凝土抗压强度与加载应变率呈线性增强关系,与冻融循环次数满足二次多项式的劣化关系;峰值应变与加载应变率满足二次多项式的降低关系,与冻融循环次数满足二次多项式的增长关系。通过全应力-应变拟合曲线与试验曲线的比较发现,在研究的应变率和冻融循环次数范围内,二者吻合较好。

轻集料混凝土局部受压试验及动力本构分析

为探究轻集料混凝土单轴局部受压动力特性,采用试验机对轻集料混凝土单轴局部受压本构关系进行相关试验研究.考虑了5种不同加载应变率和4种不同加载面积,在位移控制下,得到轻集料混凝土单轴局部受压应力-应变曲线.根据应力-应变曲线特征点的峰值应力、峰值应变和弹性模量,分析不同加载应变率与加载面积对特征点的影响.同时根据混凝土黏弹塑性损伤本构模型,考虑不同加载应变率和加载面积的影响修正模型参数,并通过试验数据验证理论模型的合理性.研究结果表明:加载应变率和加载面积对轻集料混凝土应力-应变曲线影响明显;不同加载面积对轻集料混凝土弹性模量、峰值应力及峰值应变有较大影响;所提出的理论模型能够准确描述轻集料混凝土材料局部动力荷载作用下的应变率效应和非线性行为.

分离式Hopkinson压杆实验技术研究进展

分离式Hopkinson压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)技术是一种广泛应用于研究材料加载应变率在(10~2～10~4s^(-1))范围内力学响应的实验方法。在详细介绍Hopkinson,Davies和Kolsky的3篇经典论文的基础上,从基本理论研究、加载波形控制、复合加载方式以及测试系统改进4个方面详细论述SHPB实验技术的研究进展。通过分析SHPB实验技术在实际应用中存在的问题,提出SHPB标准化、拓宽应用范围以及广义SHPB技术是SHPB实验技术研究值得深入探索的方向。

大直径分离式霍普金森压杆试验中的波形整形技术研究

采用直径100 mm分离式霍普金森压杆（SHPB）试验装置,以碳纤维混凝土（CFRC）的SHPB试验为例,就试验过程中的波形整形技术展开研究,内容包括：波形整形器的设计、近似恒应变率的估算、最佳近似恒应变率的确定以及应力均匀性分析。结果表明：厚度为1 mm,直径分别为20 mm2、2 mm、25 mm2、7 mm3、0 mm的H62黄铜波形整形器对入射波形有明显的改善效果,可将入射脉冲上升沿的升时延长1-1.6倍;应变率对于波形整形器的直径很敏感,随着整形器直径的增大,最佳近似恒应变率也在增加,一个几何尺寸的波形整形器只能对应于一个最佳近似恒应变率,且与整形器的直径之间满足线性函数关系;应力不均匀系数能够有效地描述混凝土材料SHPB试验的应力均匀性。

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。