两种纤维加筋模拟月壤地聚合物动态劈裂试验研究

为了解纤维加筋模拟月壤的动态劈裂力学特性,选用聚丙烯纤维和玄武岩纤维制备了纤维加筋模拟月壤地聚合物圆盘试件,利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置开展了冲击劈裂试验,并使用扫描电子显微镜观察地聚合物断裂面处纤维的分布排列情况。试验结果表明:当聚丙烯纤维掺量为0.4%时试件的劈裂拉伸强度达到最大,较未掺时提高22.9%~27.3%;相同纤维掺量下,聚丙烯纤维对试件劈裂拉伸强度的增益效果要优于玄武岩纤维;纤维掺量一定时,试件动态劈裂拉伸强度与冲击气压呈正相关,纤维对劈裂拉伸强度的增益效果与冲击气压呈负相关;试件在冲击荷载作用下沿轴向劈裂为相对完整的两半,纤维的掺入减小了试件的破坏程度,改善了脆性破坏;试件的劈裂破碎块度平均粒径随纤维掺量的增加而增大。研究结果为未来月球基地建造材料的选择提供参考。

冲击荷载作用下纤维混凝土动态劈裂试验与分析

为研究不同纤维材料对混凝土动态劈裂力学性能的影响以及作用效果的差异,采用直径为100 mm的分离式霍普金森压杆试验装置和V2512超高速数字摄像机,分别对素混凝土、棕榈纤维混凝土以及钢纤维混凝土试件进行了巴西圆盘动态劈裂试验研究。通过DIC软件技术分析不同纤维混凝土试件的破裂过程和裂纹扩展规律,获得不同纤维混凝土试件的动态抗拉性能与动态断裂韧性等。试验与分析结果表明:在相同冲击荷载作用下,纤维的掺入能够提高混凝土的抗冲击韧性,减少试件加载端部因应力集中而产生的崩坏现象,延缓试件的破坏时间并有效抑制裂纹的扩展,其中钢纤维对混凝土的阻裂作用时间长于棕榈纤维。在相同荷载作用时间情况下,棕榈纤维混凝土和钢纤维混凝土的峰值应变都低于素混凝土。钢纤维的掺入能够显著阻滞混凝土试件内部的破裂过程,损伤变量变化相对缓慢,试件开裂后在相同裂纹宽度下,钢纤维混凝土具有更大的残余应力。

双掺粉煤灰-矿渣水泥砂浆动态劈裂与能量耗散试验研究

为研究掺入粉煤灰与矿渣的水泥砂浆动态劈裂拉伸性能,用粉煤灰与矿渣替代40%的胶凝材料,其中粉煤灰替代率分别为0%、10%、20%、30%、40%,采用∅50mm的分离式霍普金森压杆系统对各组砂浆进行动态冲击试验,通过改变冲击气压获得不同加载速率下水泥砂浆的应力-应变曲线,并对各组砂浆的能量耗散情况进行分析。结果表明,各组砂浆的动态劈裂拉伸强度和峰值应变均表现出应变率增强效应;同一冲击荷载下,砂浆动态劈裂拉伸强度随粉煤灰掺量减少而不断增大;各组砂浆的反射能、透射能、吸收能均随应变率、入射能的增大而不断增大,反射能与应变率间体现出较好的线性关系;砂浆能量耗散率随入射能、应变率的变化呈现出的变化规律基本相同。在合理使用工业废料的基础上,研究结果可为双掺粉煤灰-矿渣水泥基材料的工程应用提供参考。

不同内径圆环砂岩试件温水耦合动态劈裂力学试验研究

煤矿巷道围岩经常处于地下水和温度共同作用环境中。由于岩石动抗拉强度远小于其动抗压强度,当受到掘进爆破等动载作用时岩体破坏往往取决于动抗拉强度,温水耦合岩石在动荷载扰动下动态抗拉力学性能值得深入研究。对不同内径圆环砂岩试件(外径50 mm,内径0~25 mm)进行温水耦合作用,开展X射线衍射和扫描电子显微镜试验,并利用霍普金森压杆试验装置进行动态劈裂力学特性试验研究。结果表明:温水耦合作用使砂岩试件产生损伤劣化,基本物理参数发生变化,动力学性能呈现出弱化现象;相同加载条件下,圆环砂岩试件内径增大,试件更易发生张拉破坏;劈裂后的半圆环发生了挤压断裂;相同内径时,温水耦合作用砂岩试件碎块更加明显;从能量耗散角度对试件破碎形态进行分析。

碳纳米管韧性混凝土动态劈裂性能研究

文中通过霍普金森杆技术(SHPB)研究碳纳米管(CNTs)掺量对超高韧性水泥基材料(UHTCC)动态劈裂性能影响规律。试验结果表明,在静态荷载作用下,CNTs-UHTCC劈裂强度在掺量为0.2wt.%时达到峰值,相比于对照组提高了4.46%。在动态荷载作用下,CNTs-UHTCC劈裂强度表现出显著的应变率敏感性。建立5组材料的动态劈裂强度增长因子-应变率预测模型,结果显示在应变率2.05~13.25 s^(-1)范围内模型与试验结果吻合良好。研究为碳纳米管改性超高韧性水泥基材料的工程应用提供参考依据。

UHPFRC圆盘动态劈裂试验及基于μXCT图像的破坏机理研究

采用分离式霍普金森压杆对钢纤维体积分数为0~3%的超高性能纤维增强混凝土(ultra high performance fibre reinforced concrete, UHPFRC)圆盘试件进行应变率为1.72~7.42 s^(-1)的动态劈裂试验,使用高速摄像机结合数字图像相关(digital image correlation, DIC)法获得试件表面裂缝扩展全过程图像和应变演化过程,并对冲击前后试件进行微观X射线计算断层扫描(micro X-ray computed tomography,μXCT),获得分辨率为56.7μm的三维内部图像,并进行统计和破坏机理分析。结果表明:(1)相比无纤维试件,掺入1%~3%的钢纤维,静、动劈裂强度分别提高84%~131%和47%~87%,动劈裂强度增强因子(即动静强度比值)为1.07~1.72;(2) DIC应变图像分析表明,无纤维试件裂缝集中、破坏快、能耗低;含纤维试件裂缝弥散程度大、能耗高、延性好,且随着纤维含量的提高而提升;(3)μXCT图像分析表明,试件中钢纤维体积分数为1.04%~2.47%,与设计基本一致,孔洞体积分数为0.98%~1.71%,纤维掺量的提高,降低了孔洞数量和总体积分数,但孔洞的平均体积和平均等效直径增大;裂缝桥连纤维数量的增加,减小了主裂缝的体积和平均宽度,提高了裂缝面的粗糙度和相对表面积,从而提高了试件的强度、能耗、韧性和延性。

高温后大理岩动态劈裂拉伸试验研究

为了研究高温处理后的岩石材料在冲击加载速率作用下的动态劈裂拉伸性能,利用大直径分离式霍普金森压杆试验设备对经历不同高温作用冷却后的"大理岩"平台巴西圆盘试样进行不同加载速率作用下的径向冲击试验。研究了高温后大理岩的动态劈裂拉伸强度及动态劈裂破坏形式随温度和冲击加载速率的变化规律。试验结果表明,与静态劈裂拉伸强度相比,经历不同高温作用冷却后,大理岩的动态劈裂拉伸强度有明显的提高,表现出显著的冲击加载速率强化效应,同一冲击加载速率作用下,随着温度的升高,动态劈裂拉伸强度表现出先增大后减小的变化趋势;高温后大理岩的动态劈裂破坏形式受到冲击加载速率和温度的共同影响。

岩石动态劈裂试验的最优试件尺寸分析

利用有限元分析软件LS－DYNA对常规巴西圆盘、平台巴西圆盘和带孔巴西圆盘这三种最常用的劈拉试件，进行岩石 SHPB 动态劈裂试验的数值模拟，并依据模拟结果，采用平台巴西圆盘法，对花岗岩试样进行了动态劈裂试验。对比模拟与试验结果，得到了加载应变率与岩石动态抗拉强度的关系，探讨了用于岩石动态劈裂试验的最优试件尺寸。结果表明：平台巴西圆盘法可以较好地满足中心起裂条件，试验结果的可信度更高，而对于所采用的岩石参数，建议平台巴西圆盘试件的中心角取20°～24°；如采用带孔巴西圆盘试件进行动态劈裂试验，建议内外孔径比取0．4～0．5；岩石的动态劈拉强度随应变率的增大而增大，但增大速率越来越小，且这种增大趋势受到试件尺寸的显著影响。

大理岩的高应变率动态劈裂实验

首次把平台巴西圆盘试样引入动态劈裂试验。利用直径100mm的分离式Hopkinson杆对大理岩巴西圆盘和平台巴西圆盘试样进行了动态劈裂实验。结合有限元分析,得到了大理岩的动态劈裂破坏的拉伸强度。分析了巴西圆盘和平台巴西圆盘的典型破坏方式。结果表明,大理岩的动态拉伸强度随着应变率的提高而增加。利用圆盘中心粘贴的应变片来测大理岩等脆性材料的动态拉伸强度,是一种简便高效的试验方法。和巴西圆盘相比,平台巴西圆盘具有更大的优越性和更好的测量效果。

地质聚合物混凝土动态劈裂拉伸破坏的吸能特性

以矿渣、粉煤灰为原材料,以NaOH(NH)、Na2CO3(NC)为碱激发剂,制备了C30高流态地质聚合物混凝土GC,并采用经波形整形技术改进后的Φ100mm SHPB试验装置开展了GC的动态劈裂拉伸试验,从入射能量平均变化率、能量的吸收、动态破坏形态间的内在关系入手分析了GC的吸能特性。结果表明:GC的入射波、反射波和透射波能量及吸收的能量随入射能量平均变化率的增加而增大,但增大速率逐渐变缓,总体规律可用二次多项式关系来表示;随着入射能量平均变化率的增加,试件的破坏程度也越加严重,加载端的类似三角形的粉碎性区域的面积也越大,且试样与入射杆接触端面的粉碎区域要大于与透射杆接触端面的粉碎区域;GC与普通硅酸盐水泥混凝土OPCC均存在入射能量变化率效应,但OPCC吸收的能量的增大速率随入射能量平均变化率的增加几乎保持不变,总体规律可由线性关系来表示。

钢纤维混凝土动态劈裂试验的能量耗散分析

利用分离式Hopkinson压杆(SHPB)装置进行钢纤维混凝土(SFRC)动态劈裂试验。介绍了其试验原理并阐述了利用劈裂强度和应变率指标反映混凝土抗拉性能的不足,提出了试样耗散能和入射波能量变化率指标。通过对试验中试样能量耗散的详细分析,发现试样耗散能较好地反映了混凝土冲击载荷作用下抗拉性能的变化。对于混凝土类材料,改变基本材料组分(水、水泥、砂和粗集料)配比不能有效提升其抗拉性能,钢纤维的增强效果有限。而采用硅灰代替部分水泥,则使混凝土抗拉、抗压和钢纤维增强效果三方面均得到有效提升。

大理岩动态劈裂拉伸的SHPB实验研究

利用直径100 mm的Hopkinson压杆和薄圆形铝片作为波形整形器,用不同弹速径向冲击平台巴西圆盘试样以研究大理岩的动态拉伸强度。分析了试样的应变率、破坏时间、破坏模式,以及破坏过程中的载荷-应变关系,得到了关于大理岩在高应变率下拉伸强度及弹性模量的一些结论。考虑了试样的尺寸大小及两个平台附近应力的时间不均匀性与空间不均匀性对实验结果的影响。同时,利用有限元法对平台巴西圆盘试样的动态应力分布进行了数值模拟,验证了动态劈裂拉伸实验的有效性。

岩石动态劈裂试验中能量变化的有限元分析

利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,对岩石平台巴西圆盘试件进行了SHPB动态劈裂试验的数值模拟,系统地分析了岩石试件劈裂破坏过程中的能量变化,并将本文所定义的能量参数,与学者lundberg的研究进行比较分析。结果表明:随着弹速的增大,试件的反向震塌现象加剧,但总体破坏程度却先增后减;应力波穿过试件所需的时间随着弹速增大而缩短,但透射杆增加的速度却呈减小趋势,这说明在一定范围内,冲击速度越大,试件的能量吸收率也越大;以入射杆、试件与透射杆三者构成的系统为分析对象,在6种弹速等级下,其内能均于1.15 ms左右急剧下降至最低值,据此推断1.15 ms为试件的破坏时刻t;本文中定义的试件破碎能Wb与弹速的关系和学者lundberg的研究定义的试件耗散能WD相比,总体趋势相似,经归一化处理后更加接近,验证了该参数的有效性。

大理岩动态劈裂试样的破坏应变

脆性材料基于应变的强度准则逐渐受到重视,为研究岩石在动态拉伸条件下的破坏应变规律,利用分离式Hopkinson压杆对不同尺寸的大理岩巴西圆盘和带平台的巴西圆盘进行宽应变率范围的动态劈裂试验。研究不同类型的试样在不同应变率下的破坏应变,讨论试样尺寸、弹速、应变率对破坏应变的影响,得到了一些有益的结论:(1)大理岩的破坏应变随撞击压杆的弹速提高而增大,在一定的弹速范围内破坏应变增加趋势明显,而在此范围外破坏应变增幅很小;(2)试样尺寸对岩石的动态破坏应变的影响受弹速的影响比较显著;(3)在低应变率下,大理岩的动态破坏应变随着应变率的提高而显著增大,而带平台的试样的增加幅度更大,且数据的分散性也较小;当应变率较大时,应变率对破坏应变的影响较小,应变增幅较小,各类试样数据的分散程度都有所降低;(4)和巴西圆盘相比,在低应变率下平台巴西圆盘具有更大的承载力和更高的破坏应变,但是随着弹速的增加,平台巴西圆盘的趋势逐渐减少;当弹速大于某一数值时,其破坏应变反而小于巴西圆盘的破坏应变。

高温后大理岩动态劈裂试样的破坏应变

巴西圆盘是用于测定大理岩等脆性材料拉伸性质的一种常用试样,为了研究温度对岩石在动态拉伸条件下破坏应变的影响规律,利用直径100 mm的分离式Hopkinson压杆对一系列大理岩巴西圆盘进行了动态劈裂试验,通过粘贴在试样中心处的应变片,得到了不同类型的试样在不同应变率下的破坏应变。结果表明,随着应变率的增加,破坏应变随之增加,但是没有经过高温处理(A类)和经过50℃恒温处理(50A类)岩石的增幅比较缓慢,经过100℃恒温处理(100A类)岩石的增幅则比较明显,且显著大于A类和50A类岩石;岩石在经过50℃恒温处理后,其破坏应变随应变率的变化关系与没有经过温度处理的岩石非常一致,而岩石在经过100℃恒温处理后,其破坏应变显著高于没有经过高温处理或者50℃恒温处理的岩石;随着弹速的增加,岩石的破坏应变和应变率都在逐渐增加,在弹速比较接近的情况下,经过100℃恒温处理后的岩石的破坏应变和应变率都要高于经过50℃恒温处理后的岩石,而且随着弹速的增加其差值也在逐渐增大。

确定动态劈裂裂纹起裂和扩展特性的简便方法

利用直径100mm的分离式霍普金森压杆对大理岩巴西圆盘进行了动态劈裂试验。在试样表面加载直径方向粘贴一系列电阻应变片，用来记录试样加载直径上各点的应变随时间的变化曲线，通过记录的应变历程，可以判断劈裂试样的起裂应变、起裂位置和时刻，以及裂纹的扩展顺序和裂纹扩展的速度。试验结果表明，裂纹的起裂对应着该点的应变历程上应变值的突变。裂纹起裂一般并不在试样中心，而是偏向中心和入射杆撞击端之间的某一点，然后裂纹沿加载直径向两个相反方向发展，直至试样完全劈裂为比较大的两部分。裂纹扩展的速度大约为400-800m／s，试样从开始起裂到完全裂开的破坏时间约为几十个μs。当应变率比较低时，裂纹在扩展过程中的分岔点比较少，因而破坏形态较好，当应变率比较高时，裂纹在扩展过程中的分岔点比较多，破坏形态也比较多。因此，在巴西圆盘加载直径上粘贴一系列应变片来研究脆性材料的动态起裂和扩展特性，是一种简便高效的试验方法。

混凝土动态劈裂拉伸试验的数值模拟(英文)

采用LS-DYNA有限元编码程序,对混凝土的动态劈裂拉伸试验进行了数值模拟。给出了混凝土试样在不同类型加栽情况下应力分布之间的差异,证实了动态劈裂拉伸试验的有效性,提出了改进试验方法的若干结论.

短切碳纤维C/SiC陶瓷基复合材料的动态劈裂拉伸实验

为了探究C/SiC陶瓷基复合材料的动态断裂力学行为和破坏形态,利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置对3种不同短切碳纤维体积分数的C/SiC陶瓷基复合材料进行了动态劈裂实验,并利用扫描电子显微镜扫描了C/SiC复合材料试件的破坏界面,分析了C/SiC陶瓷基复合材料的失效特征和增韧机理。实验结果表明:C/SiC复合材料在冲击劈裂实验过程中,同一短切碳纤维体积分数下试件的动态抗拉强度随着冲击气压的增大而增大;短切碳纤维体积分数为16.0%时,材料的抗拉强度最低;冲击后,试件的整体破坏情况与冲击气压、短切碳纤维体积分数有关。

岩石巴西圆盘动态劈裂的流形元法模拟

利用二阶流形元法,通过引入裂纹产生与扩展判据,对冲击载荷作用下岩石平台巴西圆盘的动态拉伸劈裂过程进行了数值模拟,再现拉伸波作用下圆盘被劈裂的过程。模拟现象与实验结果相符,动态平衡时的应力分布与有限元结果基本一致。从而验证了流形元在模拟冲击载荷作用下材料动态破坏过程的有效性和可行性。

高强混凝土巴西圆盘动态劈裂试验

以圆形紫铜片作为波形整形器,利用直径100 mm的霍普金森压杆装置,研究了不同弹速冲击下高强混凝土平台巴西圆盘试件的动态拉伸强度,得到了高强混凝土在冲击作用下的劈裂强度、破坏模式和应力时程曲线。试验结果表明:随着冲击应变率的提高,高强混凝土试件的动态劈裂强度和破坏程度不断增大,具有显著的应变率敏感性。高速冲击荷载下的混凝土断面区较为光滑,裂缝直接穿过石子导致试样断裂。