基于霍布金森压杆的砂岩动态力学特性数值模拟研究

以砂岩为研究对象,采用ANSYS/LS-DYNA软件建立分离式霍布金森压杆数值模型,模拟砂岩在不同应变率及应力波加载次数下的冲击过程。研究结果表明:随着应力波的传递,砂岩表现为三种破坏模式:张应变破坏、沿径向劈裂拉伸破坏、压碎破坏阶段;随着应变率的增大,动态峰值应力和峰值应变也随之增大;应变率一定时,随着应力波加载次数的增加,岩样的入射能、反射能、耗散能都呈现减小的趋势,而总耗能却表现为逐渐增大。

Hopkinson杆试验试件中应力状态近似分析与惯性修正

在Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ杆动态试验，特别是Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ拉杆试验中，由于试件尺寸长，惯性效应导致测试失真问题是人们关注的重要问题．本文对该问题进行了分析，发展了Ｇｏｒｈａｍ惯性修正模型，推导出一种新的惯性修正公式，该公式考虑了试件的径向和轴向惯性，变形率及试件端面效应，特别是考虑了惯性对试件内部速度场不均匀性的影响．计算分析表明，本公式对ＳＨＴＢ试件中惯性效应的修正量的计算值比Ｇｏｒｈａｍ模型的相应值要大４０％～５０％，虽然修正量的绝对值并不大．

基于DIHPB技术的高应变率剪切测试方法

在测试材料动态力学性能时,直接撞击式霍布金森压杆(direct impact Hopkinson pressure bar,DIHPB)实验系统相对于分离式霍布金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB),往往能获得更高的应变率。本文中采用一种新型双剪切试样,在DIHPB系统下对603钢进行了动态剪切测试。获得了603钢在应变率1 500~33 000 s^-1的剪应力-剪应变曲线,并与SHPB系统下的测试结果进行了对比。结果表明,由两种测试方法获得的流动应力具有较好的一致性,但曲线的上升沿存在明显区别。采用数值模拟对DIHPB方法的准确性进行了验证,并对该实验方法的适用条件进行了分析。采用DIHPB方法,可以观察到603钢的流动应力存在明显的应变率效应,但在较高的加载速度下材料的失效应力随着加载速度的增加而呈降低趋势。

动静组合加载条件岩爆特性及倾向性指标

基于岩爆灾害是静载与动载共同诱发的工程事实,从动静组合加载下岩石破坏过程中能量储存和释放特征出发,充分借鉴现有岩爆倾向性指标的合理之处,提出动静组合加载下的岩爆的倾向性指标。该指标能克服现有指标只考虑静载的局部性,更能反映出岩体岩爆破坏应力峰值后的能量释放特征。选取0轴压、抗压强度的20%,60%,70%和80%共5个典型轴压水平,进行不同冲击能量下的动静组合冲击实验。通过对试验结果的分析,考察动静组合加载下的岩爆特性及倾向性指标方法。研究结果表明,新指标能够较好反映岩石的岩爆倾向性。通过分析比较,进而提出动静组合加载下岩爆倾向性指标判据的初步建议。根据该建议指标可以反映出激励性岩爆的发生受静载和动载2种因素的综合作用。

岩石SHPB试验中确定试样尺寸的参考方法

根据岩石SHPB试验中应力波在弹性杆和岩样内的透反射规律,给出了利用反射系数和应力波在试样间来回传播最低次数获得应力差相对值的查值表。根据反射系数和具体实验中对应力差相对值的要求,利用该表可以直接查询应力波在岩样内传播达到应力平衡的最小传播次数。在此基础上,通过考察岩石密度、波速与最小传播次数之间的关系,认为岩石的波速对反射系数和岩样最大长度有很明显的影响。研究结果表明,岩石波速和岩样最大长度之间存在二次函数关系式。在对岩石进行SHPB实验前,可以通过测试岩石的波速,并根据二次函数关系式,计算得到岩样所允许的最大长度,为具体试验条件下确定岩石试样尺寸提供了一种参考方法。

不同应变率下砂岩动态强度准则的试验研究

分别利用RMT-150C和多功能分离式霍普金森压杆（SHPB）试验系统对砂岩进行了不同应变率下的单轴压缩、三轴压缩和拉伸试验。结果表明，在围压为0或围压-定的情况下，应变率低于10^2s^-1。时，抗压强度的增加与应变率的量级呈正比；在应变率高于10^2s^-1时，岩石的抗压强度增加趋势与应变率的l／3次方呈正比。拉伸强度也存在类似规律。针对10^1～10^2s^-1应变率范围内缺少岩石动态强度准则这-现状，根据上述试验规律，结合Mhr-Coulomb准则、Hock-Brown准则和Gfiffith准则的原理，给出了不同应变率范围内动态Mohr-coulomb准则和动态Hock-Brown准则的具体表达形式。研究结果表明，在低应变率情况下，动态Mohr-Coulomb准则和动态Hock-Brown准则均适用，但Griffith准则判别结果误差很大。在高应变率情况下，动态Mohr-coulomb准则比较适用，Griffith准则仅适用于评估高应变率单轴抗压强度和抗拉强度之间的关系。

冲击荷载作用下胶结充填体的力学特性研究

嗣后充填采矿法二步矿柱回采时,胶结充填体不可避免地受到爆破扰动。动载作用下胶结充填体的力学特性如何,直接关系到矿山的生产安全。借助SHPB(分离式霍布金森压杆)试验技术,进行高应变率下的分级尾砂胶结充填体SHPB动载单轴冲击试验,得到其不同应变率条件下的应力-应变曲线,分析了其破坏过程机理。试验结果表明:(1)平均应变率较小时,充填体动态强度增强因子为1左右;随着应变率上升,动载抗压强度变大,动态强度增强因子随之增大;当应变率达到80~100 s-1时,其动态强度增强因子为2左右,最大甚至超过3,体现了显著的应变率相关性;(2)一定范围内,充填体动载抗压强度随浓度、配比的增大而相应的增大;(3)通过对不同应变率下分级尾砂胶结充填体破坏形态的对比归纳,维持其宏观稳定的最高应变率为50 s-1;最后利用ANSYS/LS-DYNA模拟充填体SHPB单轴冲击过程,其应力-应变曲线、充填体破坏特征与试验相互吻合,验证了结论的正确性。

圆盘冲击劈裂试验中岩石拉伸弹性模量的求解算法

提出圆盘冲击劈裂试验中求解岩石拉伸弹性模量的解析算法。结合圆盘对心受力的理论弹性解和实际试验过程中方便测量的物理参数,基于微积分原理,得到岩石拉伸弹性模量和垂直加载方向上总位移变形量之间的定量关系式。在此基础上,考察试样中心平行加载方向和垂直加载方向位移量之间的关系,认为两者之间存在线性关系,可以用比例函数进行表示。最后,结合SHPB冲击劈裂试验原理,通过测量得到平行加载方向位移,利用得到的比例函数进行换算,代入到拉伸模量和垂直加载方向上总位移变形量之间的定量关系式中,进而得到圆盘冲击劈裂试验中岩石拉伸模量的求解公式。该式包含冲击加载力、试样直径、试样厚度、岩石泊松比和试样中心平行加载方向上总位移变形量5个物理量,意义明确,运用简便,为求解圆盘劈裂试验拉伸弹性模量提供了一种新的方法。

采用改进的SHPB方法对泡沫铝动态力学性能的研究

本文改进了传统的分离式霍布金森压杆(SHPB)技术,采用夹在透射杆中的PVDF压电计直接测量透射杆中的应力时程.同时,采用输入波形整形技术,通过调整加载波形,使试样加载过程中保证均匀变形及应力平衡.利用此改进了的SHPB技术对泡沫铝进行了高应变率下的动态压缩实验.实验结果表明:泡沫铝的动态应力应变曲线具有泡沫材料的应力应变曲线的"三阶段"特征(elasticregion,collapseregionanddensificationregion),并且应变率对其力学性能影响明显.

岩石在冲击载荷下的过应力本构模型研究

采用分离式霍布金森压杆(SHPB)试验系统对深井软岩材料进行动态力学性能测试,测试的应力–应变曲线表现出显著的塑性变形特性。基于修正的过应力模型本构方程,根据01 E(t)/E的变化量与应变率和应变之间的函数关系,采用量纲一化分析法对修正的过应力模型本构方程进行简化,得到简化的过应力模型本构方程;考虑动载作用下损伤对岩石动载强度的影响,将连续损伤理论和统计强度理论引入到简化的过应力模型本构方程,建立简化的损伤型过应力模型本构方程,使得本构模型方程适用于动态全程应力–应变曲线。采用简化的损伤型过应力模型本构方程对实测曲线进行曲线拟合,实测曲线和拟合曲线两者具有很好的一致性。

泡沫铝动态力学性能的实验研究

本文主要利用分离式霍布金森压杆 (SHPB)对泡沫铝进行了三种应变率 (0 6× 10 3 s、1 0× 10 3 s和 1 9× 10 3 s)动态压缩实验。实验结果表明 :泡沫铝的动态应力 应变曲线也具有泡沫材料的动态应力 应变曲线的“三阶段”特征 ,并且应变率对其影响明显 ,流动应力随着应变率的增加而增加 。

冲击荷载下强度比对类复合岩样能量耗散影响的研究

利用直径为50 mm的分离式霍布金森压杆试验装置对类复合岩样进行动态冲击试验。研究了不同应变率、入射波的不同入射顺序、不同强度比、不同入射角度对岩体能量耗散的影响。试验结果表明:类复合岩样的入射能、吸收能、能量利用率均随应变率的增大而增大;不同入射顺序对吸收能和能量利用率有不同影响,且随着强度比增大,不同入射顺序的影响逐渐减小;当应变率约为270 s-1时,不同强度比类复合岩样的能量利用率均随着入射角增大呈现先减小后增大的趋势,在入射角为30°时能量利用率最小,入射角90°时能量利用率最大。

岩石动态断裂韧度温度相关性的实验研究

利用CCCD—SHPB（CentralCrackedCircularDisk—SplitHopkinsonPressureBar）试验系统对花岗岩试件实施同一加载速率、不同温度下的纯I加载试验，进而研究环境温度对岩石类材料动态断裂性能的影响。实验过程中控制加载脉冲，使得测试试件的加载速率基本一致，测得不同温度下试件两端平均栽荷P随时间的变化关系，将最大P-max心裂纹圆盘应力强度因子墨公式，获得不同温度下中心裂纹巴西圆盘岩石试件的动态断裂韧度蜀。。测试结果表明，温度处于10—100℃时，花岗岩动态断裂韧度K-Id温度的升高逐步下降，近似呈线性关系。

超细全尾砂充填体动态力学特性研究

充填体作为人工矿柱,为矿房回采创造了条件,但经常受到爆破等冲击荷载作用。充填体的动态力学特性直接关系到充填采矿法的安全高效实施。通过单轴压缩试验和分离式霍布金森压杆(Split Hobkinson Pressure Bar,SHPB)试验技术,进行了不同充填配比参数的超细全尾砂充填体压缩试验,得到其静载和动载下的应力-应变曲线和能量变化曲线,并分析了其破坏模式。研究表明:充填体质量浓度越高,灰砂比越大,峰值应力和峰值应变随之增大,呈现正相关性,其中灰砂比和质量浓度对应力的影响相对一致,但应变受质量浓度影响更大;当冲击荷载由0.3 MPa增大至0.6 MPa时,充填体的破坏形式由保持完整形态变为产生裂纹,直至被压碎,转变为完全失稳破坏状态;充填体能量吸收随着冲击荷载的增加而逐渐递增,但质量浓度和灰砂比增大时,充填体比能量和能量吸收率反而下降,其中灰砂比是影响充填体吸能效率的主要因素,质量浓度次之。

一维动静组合加载下复合岩样动态力学特性试验研究

为研究高地应力与动力扰动下复合岩层的破坏机理,利用改进的分离式霍布金森压杆试验装置,开展一维动静组合加载下复合岩样的动态力学特性试验研究。选取0、20%σ_(s)、40%σ_(s)、60%σ_(s)、80%σ_(s)(σ_(s)为岩样静态单轴抗压强度)5个水平的轴压,对复合岩样进行0.5 MPa和0.9 MPa冲击气压下的冲击试验,并借助高速摄像机对岩层倾角α=30°时岩样的动态破坏过程进行记录。通过对试验结果的分析主要得到以下结论:复合岩样在一维动静组合加载下表现出的动态力学特性变化规律与均质试样以及含裂隙试样有显著差异;轴压对复合岩样的动态变形模量和动态强度有明显的影响,轴压为20%σ_(s)时对应的动弹模和动强度均为极值点;复合岩样的单位体积吸收能随轴压的增大整体呈减小趋势,在α=60°时出现单位体积释放能现象;除α=0°之外,其余各倾角的能量吸收率随轴压的增大总体呈减小趋势;复合岩样随着轴压的增加破坏程度更大,复合岩样主要以拉-剪组合破坏为主,层理面及B材料(即强度较低的岩层)对试样的破坏有控制作用。

纯钽动态本构关系的实验

利用MTS材料试验机和分离式霍布金森压杆实验装置测量了纯钽在较宽温度(-100-550℃)和应变率(10^-5～10^3／s)范围内的应力-应变曲线，结果表明钽的流动应力对温度和应变率都很敏感。利用实验数据拟合出了钽的Johnson-Cook(J-C)形式的本构方程。

Damage constitutive model of different age concretes under impact load

In order to investigate the mechanical properties and stress-strain curves of concrete at different ages under impact load,the impact compression tests of concrete at age of 1, 3, 7, 14 and 28 d were conducted with a large diameter split Hopkinson pressure bar, respectively. Based on statistical damage theory and Weibull distribution, combining the analysis of the change laws of stressstrain curves and viscosity coefficient of concrete with age, a damage constitutive model that can reflect the variation in dynamic mechanical properties with age was proposed. The stress-strain curves calculated from the proposed model are in good agreement with those from experimental data directly.

石英云母片岩动力学特性实验及爆破裂纹扩展研究

石英云母片岩动力学特性复杂,爆破参数难以准确获取,施工中常出现爆破进尺短、超挖、欠挖等现象,导致施工质量差、效率低。室内分离式霍布金森压杆实验表明,石英云母片岩在线弹性阶段弹性模量随应变率增长变化不大,在非线性阶段则表现出类似金属材料的屈服特征,塑性特征明显,动载强度与应变率之间呈乘幂关系,随应变率的增加而增加。在冲击荷载作用下,石英云母片岩沿层理方向破碎成片状结构,呈压剪破坏模式,破碎程度与应变率存在一定相关性。石英云母片岩破碎能与入射能呈线性关系,破碎能耗密度随应变率增加而增加,呈幂函数关系。通过模拟孔径42 mm、药径32 mm的单孔爆破过程,得到爆腔与裂隙形成时间约0.904 8 ms,爆腔半径为13.8 cm,是炮孔半径的4.45倍,最长裂隙半径为71.3 cm,是炮孔半径的23倍;根据破岩裂隙规模将破裂区划分为3个区域:破裂严重区、破裂中等区、破裂轻微区。爆炸压力由爆心向外呈指数形式快速衰减,在距爆心40 cm处衰减趋于平缓,压力值相对较低,塑性区最大范围为49.3 cm。给出了实际石英云母片岩地下洞室开挖的掏槽孔爆破参数建议值,可为类似软岩爆破施工提供参考。

结构异性煤体单轴/三轴冲击动力学性能研究

井下深孔爆破致裂是提高低渗煤层渗透率的重要措施之一,但由于煤层层理因素影响,在不同方向上的爆破致裂效果存在显著差异。采用分离式霍布金森压杆实验装置,对从垂直于层理方向和平行于层理方向进行取芯的煤样,分别进行冲击荷载为0.1, 0.15, 0.2, 0.3, 0.5 MPa的单/三轴SHPB冲击实验,分析结构异性煤体的冲击动力学性能。结果表明,煤样在不同冲击作用下,其单、三轴应力-应变曲线趋势相同,且其峰值应力、平均应变率随冲击荷载增大而增长趋势相同,其中峰值应力与冲击荷载符合指数关系,平均应变率与冲击荷载呈线性关系,相同冲击荷载下垂直于层理方向煤样的峰值应力、平均应变率相较于平行于层理方向煤样有所提升;进行三轴SHPB冲击时,在轴、围压对煤样约束作用下,其峰值应力、平均应变率相较于单轴情况下均有所提高,且在冲击荷载为0.15~0.2 MPa时峰值应力增幅最大,增大约50%,垂直于层理方向的动力学性能改变相较于平行于层理方向更明显。

玄武岩鳞片合金闭孔泡沫铝的静、动态力学性能试验研究

为研究玄武岩鳞片闭孔泡沫铝静态力学性能,并分析其相对密度和应变变化率对泡沫铝动态吸能特性和吸能效率的影响,分别通过液压试验机和分离式霍布金森（SHPB）压杆对不同尺寸玄武岩鳞片闭孔泡沫铝进行静态压缩试验和高应变变化率冲击试验。结果表明：在准静态压缩作用下,泡沫铝相对密度对吸能性和吸能效率有一定的影响,相对密度与吸能性正相关,与吸能效率负相关。在相对密度较低时,玄武岩鳞片闭孔泡沫铝的吸能性能明显优于普通合金闭孔泡沫铝,相同密度下平均高出60%。高应变变化率情况下,相对密度相同时,玄武岩鳞片闭孔泡沫铝在相对更高的应变变化率下表现出更好的吸能性,全压缩过程后,高应变变化率作用下的吸能性较低应变变化率下的约高出75%。而吸能效率在相同应变时的表现则跟应变变化率负相关。在相同应变下,较低应变变化率吸能效率高出8.7%。不同应变率下泡沫铝压缩程度明显不同,在达到最大应变时,越高应变变化率下吸能效率更高。