冲击载荷下煤样动力学响应特性与损伤本构模型

为研究深部煤体动载响应规律,采用分离式霍普金森压杆试验系统对信湖矿煤样开展了不同应变率的单轴冲击压缩试验。研究结果表明:冲击载荷下煤样动态抗压强度强度具有明显的应变率效应,且随着应变率增大,应变硬化现象愈发明显;煤样反射能、透射能、吸收能、耗能密度与应变率呈一次函数关系,耗能占比与应变率呈指数型函数关系,且均保持正相关。基于经典朱-王-唐模型、Weibull分布、Drucker-Prager准则,建立了考虑煤样损伤与黏滞性特征的动态统计损伤本构模型,并对本构模型的准确性与普适性进行了验证。该模型能够较好地描述煤样冲击动态力学行为,为动载影响下深地煤炭安全开采提供了基础研究。

含铜石榴黑云片岩动态力学特性及损伤本构模型

为探究深部矿岩在不同加载条件下的动态力学特性及损伤规律,以深部回采的含铜石榴黑云片岩为对象,开展6种轴压σ_(ap)(0 MPa、6 MPa、12 MPa、18 MPa、24 MPa、30 MPa)、6种围压σ_(p)(0 MPa、4 MPa、8 MPa、12 MPa、16 MPa、20 MPa)及6种冲击速度v(18.68 m/s、20.9 m/s、23.54 m/s、26.63 m/s、29.26 m/s、31.95 m/s)条件下的动静组合冲击试验,并考虑冲击速度、轴压、围压及应变率因素,基于统计损伤理论和Drucker-Prager破坏准则建立动静组合加载下含铜石榴黑云片岩的动态损伤本构模型。研究结果表明:矿岩试件的应力-应变曲线几乎无压密阶段,当应力增加至峰值应力的65%~80%时,该阶段的应力-应变曲线出现阶跃现象;不同埋深矿岩的受力状态和冲击速度显著影响了深部围岩的动态破坏模式,当σ_(p)=12 MPa、v=31.95 m/s时,随着轴压σ_(ap)的增加,动态抗压强度先增加、后降低,而峰值应变线性递减,当σ_(p)=12 MPa、σ_(ap)=24 MPa时,动态抗压强度随应变率的增大线性增加,而峰值应变随应变率的增加呈二次多项式增长;模型理论曲线与试验曲线吻合度均较高,验证了该动态本构模型的可靠性,可为深埋岩体动态本构模型研究及工程应用提供一定的参考。

基于Weibull分布页岩围压下的动态损伤本构模型研究

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)和被动围压套筒装置,研究了页岩在不同围压条件下的冲击压缩力学性能。试验结果表明:在无围压条件下,页岩试件强度具有显著的应变率相关性,页岩动态抗压强度随应变率提高而提高;被动围压的加载作用显著提高了页岩试件的完整性,页岩试件的离散性减弱,页岩表现出显著的均质岩体特征。建立了基于Weibull分布的页岩动态损伤本构模型,并通过试验结果计算了不同应变率下的Weibull分布参数;将试验所得围压变化曲线代入到本构模型中,比较验证了无围压和变围压条件下的动态损伤统计本构模型适用性和合理性,验证发现,模型曲线与试验曲线相吻合,在变围压条件下本文所构建的本构模型依然适用,可为页岩气开发过程中的工程模拟提供一定的参考。

非贯通节理岩体单轴压缩动态损伤本构模型

非贯通节理岩体是同时含有节理、裂隙等宏观缺陷及微裂隙、微孔洞等细观缺陷的复合损伤地质材料,基于此提出了在非贯通节理岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏、细观缺陷的观点。首先对基于细观动态断裂机理的经典动态损伤本构模型——TCK模型进行了阐述,其次针对目前节理岩体损伤变量定义中仅考虑节理几何参数而未考虑其强度参数的不足,基于能量原理和断裂力学理论推导得出了同时考虑节理几何及强度参数的宏观损伤变量(张量)的计算公式;第三,基于Lemaitre等效应变假设推导了综合考虑宏、细观缺陷的复合损伤变量(张量);第四,借鉴前人基于复合材料力学的观点,考虑了节理法向及切向刚度等变形参数对岩体动态力学特性的影响,进而建立了基于TCK模型的非贯通节理岩体单轴压缩动态损伤本构模型。并利用该模型讨论了载荷应变率、节理内摩擦角、节理厚度、节理法向及切向刚度和节理倾角等对岩体动态力学特性的影响规律。计算结果与目前的理论及试验研究结果比较吻合,从而说明了该模型的合理性。

基于组合模型法的贯通节理岩体动态损伤本构模型

针对贯通节理岩体动态变形特点并结合已有岩石动态本构模型的相关研究成果,将贯通节理岩体变形过程中的动态应力视为贯通节理岩体静态应力分量与相应动态应力分量的叠加。其中贯通节理岩体静态应力分量采用考虑岩石细观损伤的非线性元件、节理面闭合及剪切变形元件等3个基本元件的串联来模拟,动态应力分量采用黏性元件来模拟,从而建立了贯通节理岩体动态单轴压缩损伤本构模型。其次,根据贯通节理岩体在单轴压缩荷载下往往会沿节理面发生剪切破坏的特点,在前述已建立的损伤本构模型中引人节理剪切破坏准则对该模型进行修正,从而更好地考虑了节理剪切强度对该模型的影响,最终建立了考虑节理剪切强度的贯通节理岩体单轴压缩损伤本构模型。最后利用该模型对贯通节理岩体在压缩荷载作用下的力学特性进行了分析计算,重点讨论了节理倾角对岩体单轴动态压缩峰值强度的影响规律。研究结果表明随着节理倾角的变化,节理岩体将发生岩块张拉或剪切破坏、沿节理面的剪切破坏及上述两种破坏模式的复合破坏,相应地节理岩体的单轴压缩动态峰值强度也随之有较大变化。

综合考虑宏细观缺陷的岩体动态损伤本构模型

针对节理岩体同时含有节理、裂隙等宏观缺陷及微裂隙、微孔洞等细观缺陷的客观事实,提出了在节理岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏细观缺陷的观点。为此,首先对基于细观动态断裂机理的经典岩石动态损伤本构模型—TCK(Taylor-Chen-Kuszmaul)模型进行了阐述,其次基于Lemaitre等效应变假设推导了综合考虑宏细观缺陷的复合损伤变量(张量),进而在此基础上建立了相应的节理岩体动态损伤本构模型,并利用该模型讨论了载荷应变率及节理条数对岩体动态力学特性的影响规律。结果表明,在不同载荷应变率下试件在变形初始阶段是重合的,而后随着应变的增加,试件峰值强度、峰值应变及总应变均随载荷应变率的增加而增加;随着节理条数的增加,试件峰值强度逐渐降低,但降低趋势逐渐变缓并趋于某一定值。上述研究结论与目前的理论及实验研究结果的基本规律是一致的,说明了本模型的合理性。

基于TCK模型的非贯通节理岩体动态损伤本构模型

提出在岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏、细观缺陷;基于能量原理和断裂力学理论推导得出了同时考虑节理几何及力学特征的宏观损伤变量(张量)的计算公式;基于综合考虑宏、细观缺陷的复合损伤变量(张量)及完整岩石动态损伤Taylor-Chen-Kuszmaul(TCK)模型,建立了相应的单轴压缩下节理岩体动态损伤本构模型;利用该模型讨论了节理内摩擦角及节理长度对岩体动态力学特性的影响规律。研究表明,试件动态峰值强度随着节理内摩擦角的增大而增大,随着节理长度的增加而减小。

陶瓷材料动态压缩损伤本构模型

运用细观损伤力学理论,从动态压缩载荷下陶瓷材料内翼型裂纹的产生和扩展的损伤机理出发,建立了陶瓷材料的弹脆性动态损伤本构模型,给出相应的损伤演化方程.假设裂纹成核满足Weibull分布,讨论了成核分布参数、原始缺陷尺寸对材料动态断裂应力、断裂应变的影响,并用动态损伤演化模型计算了冲击载荷下AD90陶瓷的动态应力应变曲线,计算结果和实验结果符合很好.

岩石类材料损伤黏弹塑性动态本构模型研究

针对岩石类材料的动态力学特性,基于损伤演化和元件模型理论,将岩石类材料视为由具有损伤特性、弹性特性、塑性特性及黏滞特性的非均质点组成,建立考虑损伤的黏弹塑性动态本构模型,并推导出本构方程的微分表达式。将下山单纯形法嵌入自适应混合遗传算法中,编制反演分析程序,在岩石冲击试验数据的基础上,确定出损伤动态本构方程的待定特征参数。利用确定出来的动态本构方程得到的再生应力–应变曲线与试验曲线之间有很好的一致性,从而可验证该损伤黏弹塑性动态本构方程的适用性。

落石冲击下钢筋混凝土桩板墙的动态响应

为了研究钢筋混凝土桩板墙在落石冲击下的动态响应全过程,特别是其损伤特性,首先,将冲击损伤对材料弹性模量的影响引入到经典的Hertz接触理论中;其次,借鉴基于冲量定理的最大落石冲击力计算公式,提出新的最大落石冲击力计算公式;最后,根据钢筋混凝土桩板墙在落石冲击下的动态力学响应过程,提出落石冲击下钢筋混凝土桩板墙的动态损伤模型,并利用该模型对落石冲击力进行参数敏感性分析。研究结果表明:该模型能较好地反映落石冲击下钢筋混凝土桩板墙的3个变形阶段,即:弹性加载阶段、塑性损伤加载阶段和弹性卸载阶段;冲击速度和落石半径对钢筋混凝土桩板墙的动态力学响应影响较大,而钢筋混凝土桩板墙的损伤参数δ_(c)和γ对计算结果影响较小,但是当γ较小时,其影响较显著。

服役期间混凝土的损伤累积对结构可靠度的影响分析

在对Ｍｉｎｅｒ准则进行修正的基础上，建立起损伤动态干涉模型，并应用蒙特卡罗法求解动态可靠度，以此作为服役期间混凝土结构疲劳损伤的评定标准．

某大型深埋罐室围岩和混凝土试验及本构模型研究

目前的材料动态本构模型还不能很好地真实反映大型深埋罐室的混凝土和玄武岩动态损伤力学特性,为此,采用MTS实验和SHPB实验对某大型深埋罐室支护衬砌混凝土和围岩玄武岩性能进行了试验研究。结果表明,混凝土为塑性剪切破坏形式,而玄武岩为脆性碎裂破坏形态;随着冲击荷载应变率不断增大,混凝土和玄武岩的破坏均由碎块状逐渐过渡为粉末状,玄武岩在抵抗冲击载荷下能力高于混凝土;混凝土具有较强的延展性,呈现出非脆性破坏,而玄武岩呈现出脆性破坏;玄武岩及混凝土的动态应力增长因子DIF随应变率的增大而增大,DIF与应变率呈良好的线性关系。基于动弹模量,对朱-王-唐的动态损伤本构模型参数进行了简化,构建了混凝土和玄武岩峰值应力前的动态损伤本构模型,并结合SHPB实验数据验证了该动态损伤本构模型的合理性,研究成果为后续的大型深埋罐室的抗爆特性研究提供了理论支持。

单轴压缩下岩石动态细观损伤本构模型

目前岩石动态损伤本构模型未能很好地同时考虑临界应变及已有损伤对被激活微裂纹数目的影响,为此,基于微裂纹在单轴压缩荷载下的扩展机理,提出了新的岩石单轴压缩动态损伤本构模型。在假定岩石中被激活的微裂纹数服从Weibull分布的基础上,首先,通过临界应变对被激活微裂纹数目的影响,建立了考虑临界应变及微裂纹扩展长度的单轴压缩损伤本构关系;其次,根据微裂纹在单轴压缩下的翼裂纹扩展方程,考虑翼裂纹扩展过程中的惯性效应及翼裂纹扩展速度与应变率之间的关系,建立了单轴压缩下岩石动态细观损伤本构模型。最后采用数值算例对模型的合理性进行了验证。结果表明:随着Weibull分布参数k和m的增加,岩石动态抗压峰值强度分布减小和增加,且m的影响更为显著。随着微裂纹摩擦系数、岩石断裂韧性和应变率的增加,岩石动态抗压峰值强度增加;而随着微裂纹长度的增加,岩石动态峰值强度则降低。该结论与目前的研究成果较为一致,说明了该模型的合理性。

碳纤维混凝土的动态损伤本构模型

采用Φ100mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置进行了碳纤维混凝土(CFRC)的冲击压缩实验,获得了CFRC在10～102 s-1应变率范围内的应力应变曲线,分析了CFRC的强度和破坏形态,建立了碳纤维混凝土非线性损伤粘弹性本构方程。结果表明:碳纤维对混凝土有良好的增强作用,具备优异的冲击力学性能;本构模型提供的理论曲线与试验曲线比较接近,可以较为准确地描述碳纤维混凝土的高应变率力学行为。

弹体攻角侵彻混凝土数值模拟

利用LS-DYNA程序的用户自定义模型功能,在LS-DYNA程序中嵌入了用于描述混凝土及钢筋混凝土侵彻贯穿的动态损伤模型。模型拉伸部分用Taylor-Chen-Kuszmaul(TCK)模型描述,体现了应变率对拉伸作用的敏感性;压缩部分则采用Holmquist-Johnson-Cook(HJC)强度模型。模型中考虑了拉伸损伤、压缩损伤、应变软化、静水压力效应以及应变率效应。利用该方法对弹体攻角非正侵彻混凝土靶过程中的弹体变形、混凝土靶的损伤破坏、弹体的速度变化规律及弹体的变形进行了计算,并将计算结果与实验结果进行了比较,结果表明,采用该模型可以较好地模拟弹体非正侵彻混凝土过程。

预裂爆破数值模拟及其应用研究

将所建立的岩石动态损伤模型嵌入到 DYNA程序的用户材料子程序中 ,对预裂爆破中不耦合装药条件下的爆破过程进行了数值计算 ,并通过实验对数值模拟结果进行了验证和校核 。

高压水射流清砂过程模拟及机理研究

采用非线性动力有限元法和动态损伤模型对高压水射流清砂过程及机理进行了模拟研究。结果表明,高压水射流具有很强的清砂能力,型砂的破坏是射流冲击所产生的应力波与准静态压力共同作用的结果,其中以应力波的作用为主。经与现场实验结果进行对比验证,模拟仿真的结果与实验规律一致,表明此方法分析水射流清砂过程和机理是可行的,所得结论可作为高压水射流对精密铸件清砂工艺及相关设备的设计和优化的依据。

碳纳米管/碳纤维增强复合材料层合板低速冲击响应和破坏的数值模拟

碳纳米管/碳纤维增强复合材料(carbon nanotube/carbon fibre reinforced plastic,CNT/CFRP)是一种多尺度复合材料,比传统CFRP有更好的综合性能和更广阔的应用前景。对CNT/CFRP在低速冲击下的响应和破坏进行了数值模拟研究。首先,基于先前的研究通过引入基体增韧因子、残余强度因子并改进损伤耦合方程,建立了新的FRP动态渐进损伤模型;然后,利用新建立的本构模型并结合黏结层损伤模型,对4种碳纳米管含量的增韧碳纤维增强树脂基复合材料层合板在5个能量下的冲击实验进行了数值模拟;最后,将模拟结果与文献中的相关实验结果进行了比较,并讨论了冲击速度的影响。结果表明:新建立的FRP本构模型能够预测CNT/CFRP层合板在低速冲击载荷作用下的响应、破坏过程和分层形貌,模拟得到的载荷-位移曲线和破坏形貌与实验吻合较好;冲击速度会影响CNT/CFRP层合板拉伸和压缩破坏的比例,相同的冲击能量下,更大的冲击速度会造成更多的拉伸破坏。

高温作用下五峰组–龙马溪组页岩动力学特征及损伤演化规律研究

甲烷原位燃爆压裂是一项变革性页岩气储层压裂改造技术,压裂过程井周储层受到高温–冲击波协同作用,研究高温作用下页岩动力学特征及损伤演化,对揭示页岩储层燃爆压裂的致裂增透规律具有重要意义。综合运用热重分析仪、马弗炉、分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统、扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)技术,对经历不同高温热损伤的页岩试样进行动态冲击实验,得到了页岩动力学特征随温度的演化规律,构建考虑热损伤和压密阶段的页岩动态损伤本构模型,并通过实验数据进行验证,最后利用扫描电镜(SEM)分析高温作用下页岩动力学特性演化的微观损伤机制。结果表明,随温度升高,页岩表面逐渐出现连通裂隙,且高温热效应导致该页岩中水分散失,黏土矿物改性,白云石、方解石等主要碳酸盐矿物热分解,孔、裂隙结构发育连通,综合导致随温度升高页岩损伤劣化作用明显。试样动态冲击破碎形态随温度升高逐渐由单一裂缝转变为粉碎型破坏,碎块平均粒度、动态抗压强度和弹性模量先小幅增大,随后迅速降低;破碎分形维数、平均应变率和能量吸收比先降低后升高,700℃高温作用下页岩动力学特性显著劣化。这说明,燃爆压裂的高温–冲击波协同作用有利于构建页岩储层井周复杂裂缝网络。实验数据验证了考虑高温和压密阶段的动态损伤本构模型,该模型能够反映高温作用下岩石的动力学特性。研究结果对于揭示甲烷原位燃爆压裂机制具有重要意义。

Numerical simulation of dynamic fracture properties of rocks under different static stress conditions

When underground cavities are subjected to explosive stress waves,a uniquely damaged zone may appear due to the combined effect of dynamic loading and static pre-load stress.In this study,a rate-dependent two-dimensional rock dynamic constitutive model was established to investigate the dynamic fractures of rocks under different static stress conditions.The effects of the loading rate and peak amplitude of the blasting wave under different confining pressures and the vertical compressive coefficient(K_(0))were considered.The numerical simulated results reproduced the initiation and further propagation of primary radial crack fractures,which were in agreement with the experimental results.The dynamic loading rate,peak amplitude,static vertical compressive coefficient(K_(0))and confining pressure affected the evolution of fractures around the borehole.The heterogeneity parameter(m)plays an important role in the evolution of fractures around the borehole.The crack propagation path became more discontinuous and rougher in a smallerheterogeneity parameter case.