应用霍普金森压杆试验分析柠条动态力学特性

为研究柠条的动态力学特性,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对柠条的横纹、顺纹试件进行动态压缩试验。通过改变驱动气压,使撞击杆分别以12、19、26 m·s^(-1)的初速度对入射杆撞击,比较不同应变率时,柠条试件的应力表现、破坏形态。结果表明:在相同的冲击能作用时,柠条顺纹试件的动态屈服应力强于横纹试件;随着应变率的提升,顺纹试件的动态屈服强度变化程度高于横纹试件,且应变率效应亦强于横纹试件。由动态应力-应变特性可知,柠条横纹试件经历弹性变形和弱强化两个阶段,顺纹试件经历弹性变形和压溃两个阶段。对柠条横纹试件动态屈服点后的应力-应变特性曲线,采用修正后的Johnson-Cook(J-C)本构模型进行拟合,获得良好的拟合度。

霍普金森试验下沙柳顺纹动态力学特性分析

为研究沙柳顺纹方向的动态力学特性,利用分离式霍普金森压杆试验技术对沙柳顺纹浸泡材、生材和气干材的动态力学性能进行研究,分析应变率效应对试件动态力学性能的影响。将不同类型的沙柳顺纹试件在平均应变率为300,500和800 s-1条件下的动态屈服应力进行了比较并分析了原因,阐述了沙柳顺纹试件在动态压缩试验中的阶段特性,得到了3组试件分别在不同平均应变率条件下的破坏形态并分析了其形成原因。对试验结果分析后发现,沙柳顺纹方向具有较明显的应变率效应。在同一平均应变率条件下,沙柳顺纹材的动态屈服应力依次为浸泡材<生材<气干材。沙柳顺纹方向的动态应力-应变响应特性可分为弹性变形、塑性坍塌和失稳压溃3个阶段。3组沙柳顺纹试件在较高平均应变率的冲击载荷作用下均被压溃形成细小的片状碎屑,但是由于浸泡材和生材中的水分与纤维之间的摩擦力作用,使这两组试件中的细小片状碎屑仍黏在一起,未出现散落现象。

玄武岩纤维活性粉末混凝土动态力学性能试验研究

为揭示玄武岩纤维活性粉末混凝土(BFRPC)的动态力学性能,针对长度分别为6 mm和12 mm的纤维,分别成型了纤维体积掺量为0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%的玄武岩纤维活性粉末混凝土试件,并采用Φ50mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置进行BFRPC冲击压缩试验,获得BFRPC应力-应变曲线,研究玄武岩纤维体积掺量和冲击应变率对BFRPC动态抗压强度、临界应变、动态强度增长因子、动态弹性模量和韧性的影响。基于BFRPC动态应力-应变曲线和Z-W-T模型,建立BFRPC动态损伤本构模型。研究结果表明:玄武岩纤维的掺入能显著提高活性粉末混凝土(RPC)的抗变形和吸能能力,BFRPC的动态抗压强度等力学性能随着平均应变率的增大而近似线性增长;长度为6 mm的纤维对BFRPC抗冲击性能的提高效果更好,玄武岩纤维最优掺量为0.2%;动态损伤模型计算的应力-应变曲线与试验结果相符,适用于BFRPC抗冲击设计。研究结论为玄武岩纤维活性粉末混凝土的应用提供理论参考。

高温后砂岩动力特性应变率效应的试验研究

利用MTS652.02高温炉与φ50 mm分离式霍普金森压杆（SHPB）试验系统,对800℃加热后的砂岩试样进行单轴冲击压缩试验,分析17.904~62.600 s-1应变率范围内砂岩动力特性的变化规律。结果表明：800℃后砂岩动态应力-应变曲线大致经历压密、近似线弹性变形、微裂纹演化、裂纹非稳定扩展、应变软化以及卸载6个阶段;随着应变率提高,砂岩动态弹性模量、峰值应力随应变率的提高基本呈对数形式逐渐增加,峰值应变近似呈对数形式逐渐降低;较低应变率下,砂岩破坏为典型的张拉破坏,随着应变率的升高,剪切破裂面所占比例逐渐升高,砂岩破坏型式具有从张拉破坏向剪切破坏的变化趋势;800℃热处理后,砂岩破坏程度随应变率的提高逐渐提高,并且高应变率下破坏程度的应变率敏感性更加显著。

喷层混凝土-围岩组合体的循环冲击压缩试验研究

针对巷(隧)道爆破开挖施工中,喷层混凝土和围岩黏结面近区双层介质动态力学问题,利用Φ75 mm SHPB试验装置,对龄期为3 d,7 d,10 d的混凝土-岩石组合体试件进行不同冲击气压的循环冲击试验。结果表明,早龄期混凝土对组合体试件的动力特性影响较大,在0.52 MPa冲击气压下,循环冲击2次后,组合体试件力学特性由塑性转变为脆性,峰值应变减小,弹性模量增大,随着循环冲击次数的增加,组合体试件力学性能被劣化,峰值应变增大,弹性模量降低;循环冲击后,混凝土与岩石端面均出现张拉损伤裂纹,混凝土损伤较岩石严重。对比0.54 MPa和0.56 MPa试验结果,发现试件耗散能与损伤值呈负相关关系,低入射能条件下组合体试件损伤更小,这对现场施工具有重要的指导意义。

反复一维冲击下钙质砂动力特性SHPB试验研究

南海岛礁建设桩基工程面临钙质砂地层问题,利用改进的分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置研究钙质砂在反复冲击荷载作用下的动力特性。共进行28次反复一维冲击试验,得到钙质砂和石英砂的应力-应变、一维压缩特性以及吸能效率曲线,以探讨反复一维冲击荷载作用下冲击次数、含水率和相对密实度等因素对两种砂样动态力学响应的影响。结果表明:钙质砂由于颗粒形状和矿物组成的不同,其动态表观模量(动刚度)在首次冲击以及反复冲击多次后都约为石英砂的10%;随着反复冲击的进行,两种砂样不断密实,表现为刚度增大、可压缩性减弱;首次冲击下钙质砂和石英砂的屈服应力分别约为3.20 MPa和9.33 MPa,此后颗粒开始大量破碎,压缩指数分别约为0.87和0.41,反复冲击后两种砂样的屈服应力分别增加到6.14 MPa和12.54 MPa;钙质砂的吸能效率高于石英砂,不同含水率和不同相对密实度钙质砂样吸能效率在多次冲击后趋于接近。

高温后砂岩动态损伤与破坏特征试验研究

为研究高温后砂岩动态损伤与破坏特征,制备常温25℃和高温200,400,600,800,1000℃砂岩试样,利用霍普金森压杆(SHPB)试验系统对试样开展冲击试验,得到不同温度下应力⁃应变曲线,分析砂岩峰值强度、平均模量与温度的变化关系,研究砂岩破碎程度随冲击气压和加热温度的变化规律,利用扫描电镜(SEM)观测高温破坏后砂岩试样的断口形貌,从微观角度解释高温后砂岩动态损伤与破坏特征改变的成因。结果表明:砂岩试样峰值强度和平均模量随温度升高而减小,600℃以下减小速率较慢,600℃以上减小速率较快,即600℃为砂岩力学强度的拐点;温度升高,砂岩内部微裂隙不断扩展贯通,在冲击作用下微裂隙破碎程度愈发严重,宏观上动态力学性能不断劣化。

高温条件下钢纤维混凝土动态抗压性能试验研究

应用分离式霍普金森压杆和电阻式高温加热炉对不同纤维掺量(1%,2%)的钢纤维混凝土试件进行了不同温度条件下(20℃,200℃,400℃,600℃,800℃)的动态压缩试验,获得了不同温度条件下该种材料的动态应力-应变曲线,得到了相应的动态抗压强度和峰值应变。试验结果表明,钢纤维混凝土具有明显的应变率强化效应和温度损伤效应。在各试验温度下,钢纤维混凝土的动态抗压强度随着应变率的增大而提高;同一加载速率下,钢纤维混凝土的动态抗压强度随着试验温度的升高大幅度降低;相比于普通混凝土,钢纤维混凝土的抗冲击性能显著提高。

冲击载荷下细砂岩压缩试验和破坏特性研究

深部矿井岩石经常受到地下水、冲击地压和高温等综合作用,因此深部矿井中岩石的力学特性需要考虑应变率、温度和含水率等诸多因素。原位采集800 m深部细砂岩;在万能材料试验机和分离式霍普金森压杆压缩试验装置上对不同应变率、温度和含水状态下的细砂岩试件进行压缩试验,用高速/超高速摄影记录岩石试件的应变场,获得不同试验条件下的应力-应变曲线;对典型的回收试件的断裂表面进行微观观测。结果表明,应变率、含水状态和环境温度对岩石的力学性质及破坏特性都有一定程度的影响。

钙质砂一维冲击响应及吸能特性试验

钙质砂为海相沉积的多孔介质,是防护工程分配层的理想填充材料。利用改进的铝制分离式霍普金森压杆(split Hopkinsonpressurebar,简称SHPB),分别对颗粒级配以及相对密实度相同的南海钙质砂和福建石英砂进行了83组一维冲击试验,得到了应力波透射率、冲击响应和吸能效率曲线,分析了应变率、相对密实度和含水率对两种砂冲击特性的影响。结果表明,相同的荷载和边界条件下,钙质砂的刚度仅为石英砂的1/10。由于内孔隙的存在,钙质砂对冲击波的衰减作用大于石英砂,在承载性能允许的情况下,适当减小相对密实度、增加含水率可有效提高分配层消能效果。

胶结充填体动力试验及其爆破响应模拟研究

空场嗣后充填采矿方法被越来越多地应用到地下金属矿床开采中,胶结充填体不仅要承受上部静荷载,还要面临二步骤采矿爆破冲击,因此研究胶结充填体动力学特性及其爆破响应对于保证采矿安全具有重要意义。通过单轴抗压强度(UCS)以及霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bars,SHPB)对胶结充填体进行动静载试验,在此基础上,应用ANSYS/LS-DYNA软件对二步回采过程中的胶结充填体爆破响应特征进行了模拟研究。结果表明:①胶结充填体动抗压强度随着应变速率增加而增加,近似为线性关系,高应变条件下,其动抗压强度约为静抗压强度的2倍;②二步骤采矿爆破时充填体保护层厚度对振动响应速度和有效应力有明显影响,因而有必要为充填体预留设足够厚度的保护层,否则会导致充填体振动响应速度和有效应力过大;③起爆方式对胶结充填体爆破响应也有明显影响,孔口起爆时,保护层厚度要大于1.5 m才能满足充填体安全要求,而孔底起爆时,保护层厚度需达到1.8 m。上述分析对于充填采矿中胶结充填体强度以及二步回采中保护层厚度、起爆方式设计具有一定的参考意义。

静动态压缩下千枚岩长径比效应影响研究

为了研究长径比效应对层状千枚岩力学特性、能量耗散及破坏模式的影响,文中选用4种倾角(α=0°、30°、60°、90°)下不同长径比(L/D=0.5、0.6、0.8、1.0、1.2、1.6、2.0)的千枚岩分别进行了静载单轴压缩和分离式霍普金森杆(SHPB)试验。结果发现,静载压缩试验条件下,不同倾角下千枚岩随长径比的增大,峰值强度和峰值应变均减小。通过单轴动态压缩试验,发现4种层理倾角千枚岩动态抗压强度与试样长径比呈二次函数关系,随着长径比的增加,动态抗压强度出现一个峰值后逐渐降低;千枚岩峰值应变与试样长径比呈指数函数关系下降;对动态冲击压缩试验进行能量分析,发现不同工况的千枚岩在同一冲击气压下,入射能、反射能、透射能均呈现出先缓慢上升再快速上升最后趋于稳定的三段式变化;随着试样长径比增大,千枚岩反射能比先增大后减小,透射能比先减小后增大;采用能量比值法进行对比分析,发现在长径比L/D=1.2时,千枚岩的反射能比达到最大,透射能比达到最小;对千枚岩的宏观破坏模式进行分析,发现动态冲击压缩下千枚岩的宏观破坏模式受长径比影响较大,长径比越小破坏越完全;长径比越大,破坏越不充分。

玻璃球宏细观冲击特性的SHPB试验和耦合数值模拟研究

为研究玻璃球的宏细观冲击特性,该文开展了不同相对密实度玻璃球的一维霍普金森杆(SHPB)冲击试验和离散元-有限差分法耦合数值模拟研究。结果表明:一维冲击荷载下玻璃球经历初始弹性、屈服、颗粒间互锁硬化和颗粒破碎硬化四个阶段。基于耦合数值模拟发现,颗粒平均配位数随着冲击荷载时程不断增加,但增加的速率逐渐下降,其原因是配位数变化取决于孔隙压缩和以旋转为主的颗粒重排,随着试样压缩变形的发展,孔隙压缩和颗粒重排需要克服更大的颗粒间互锁效应,因此逐渐变缓。而试样孔隙率在弹性阶段基本不变,在屈服阶段和互锁硬化阶段近似线性下降,其原因是孔隙率变化受控于颗粒整体移动,弹性阶段颗粒整体移动尚未发展,屈服之后颗粒整体移动产生的孔隙压缩随荷载时程呈线性发展。冲击荷载下,颗粒位移以整体移动为主,相对位移为辅,因此,颗粒位移对试样的初始密实度不敏感。颗粒旋转需要克服周围颗粒的互锁效应,互锁效应取决于试样级配和颗粒粒径,对密实度较敏感。

冲击速度及骨料率对混凝土动强度的影响研究

混凝土结构抗爆炸冲击能力研究具有很重要的军事防护意义.国内外学者已对混凝土动强度的提高机理进行了大量研究,但大多探讨单个因素对混凝土动强度的影响,缺乏对多因素耦合作用下混凝土动强度规律的研究,并且对混凝土抗压动强度和抗拉动强度间的关系研究也较少.通过霍普金森压杆试验仪的单轴压缩试验和巴西圆盘劈裂试验,测定了不同骨料率和冲击速度下混凝土的抗压动强度和抗拉动强度,再对试验结果进行研究分析,得到混凝土动强度的理论表达式,并将混凝土抗拉抗压动强度进行了对比分析.结果表明:混凝土抗压动强度与混凝土骨料率和冲击速度呈正相关,且随着混凝土骨料率的增大,冲击速度越小,混凝土抗压动强度增加幅度越大,受动载时,混凝土抗压动强度提高幅值大于抗拉动强度提高幅值.

水-温循环作用下千枚岩的动态拉伸特性

为研究水-温耦合作用下0°层理倾角千枚岩的动态拉伸特性变化规律,分别对3组试样进行0、1、3、5、7、8、11次温度循环自然降温、温度循环冷水降温、干湿循环后,采用霍普金森杆试验装置对0°层理倾角千枚岩试样开展动态巴西劈裂试验,从动态拉伸应变曲线、动态峰值抗拉强度、动态弹性模量、能量分析与宏观破坏5个角度研究水、温劣化条件下千枚岩的动态拉伸特性。结果表明:千枚岩应力应变曲线包括极速弹性变形阶段、屈服变形阶段、破坏变形阶段;随着水-温循环次数的增加,千枚岩应力-应变曲线极速弹性变形阶段逐渐缩短,屈服变形阶段的应变增长率不断增大;千枚岩动态峰值抗拉强度呈负指数函数关系变化,耗散能比不断减小;水-温耦合条件下,千枚岩峰值抗拉强度、耗散能比普遍小于温度循环自然降温时;动态冲击下,千枚岩发生贯穿层理的张拉破坏,主要破碎为2块;随着水-温循环次数的增加,千枚岩主碎块发生沿层理面的张拉与穿层理面的剪切复合破坏,千枚岩碎块的平均尺寸不断减小;温度循环冷水降温条件下,千枚岩碎块的平均尺寸更小,且降幅最为显著。

钢纤维增强混凝土动态力学性能及HJC本构模型参数标定

探讨了不同体积掺量钢纤维和镀铜钢纤维对混凝土动态力学性能的影响,以及标定本构模型参数对钢纤维混凝土和镀铜钢纤维混凝土的适用性。在高强混凝土中掺加0.5%、1%、1.5%体积掺量的钢纤维制备7组试件,分别进行静态力学性能试验和分离式霍普金森压杆试验(SHPB),基于静态、动态力学结果修正Holmquist-JohnsonCook(HJC)本构模型参数,并利用有限元分析软件验证HJC模型参数的有效性。结果表明,在0.5%、1%、1.5%体积掺量下,混凝土动态峰值抗压强度随纤维掺量的增加而提高。标定的HJC模型对钢纤维混凝土的动态峰值抗压强度预测效果良好,模拟得到的应力-应变曲线与SHPB试验结果大致吻合。以侵蚀准则模拟得到动态冲击试验试件破坏过程,为钢纤维混凝土的抗冲击设计提供参考。

高应变率荷载作用下钢筋与ECC的黏结滑移关系研究

采用水泥基复合材料(engineering cementitious composite,ECC)替代混凝土可以提高结构在偶然荷载作用下的抗连续倒塌性能,但在悬链线大变形阶段钢筋与ECC间可能会出现黏结滑移破坏。基于分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,进行了钢筋与ECC的动态黏结滑移性能试验,分析了ECC强度等级、应变率、钢筋直径对极限黏结强度、刚度和滑移量的影响规律,获得了高应变率下钢筋与ECC的平均黏结滑移曲线,得到其黏结滑移破坏模式。并与静态黏结滑移试验进行对比,得到了动态黏结强度增强因子。进一步,通过钢筋开槽内贴应变片法,获得不同锚固位置的黏结应力及相对滑移的分布规律,提出黏结位置函数。最后,根据试验结果得到钢筋与ECC平均黏结滑移本构,进而乘以黏结位置函数得到考虑锚固位置影响的动态黏结滑移本构,为ECC结构构件设计及有限元分析提供试验依据和理论参考。

碾压混凝土HJC动态本构模型修正及数值验证

研究高应变率冲击爆炸荷载作用下水工碾压混凝土大坝结构的动力响应,离不开对筑坝材料动态力学特性和本构关系的深入认识。参考实际水工混凝土大坝筑坝材料的配合比和施工方式,制备碾压混凝土试样,分别开展了静态压缩试验和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验,以探求碾压混凝土的动态力学特性。基于静、动态力学试验结果,对目前多用于描述混凝土类材料高应变率下力学行为的HJC模型的强度面、应变率增强效应和破坏准则进行了修正,并利用有限元计算手段,建立SHPB试验的数值模型,以验证修正HJC模型的有效性。结果表明:碾压混凝土在高应变率冲击荷载下的动态力学特性表现出明显的应变率效应,动态压缩强度随应变率增加而提高,且与试样尺寸有关。基于试验数据的改进HJC模型有效预测了碾压混凝土在高应变率冲击荷载作用下的动态力学行为,数值计算得到的重构应力--应变曲线基本与SHPB试验结果吻合,采用最大主应变失效准则模拟得到了与SHPB试验加载过程中接近的试样损伤破坏模式,研究成果可用于碾压混凝土结构的抗冲击爆炸设计中。

节理千枚岩动力学特性研究

为探究千枚岩节理面对其动力学特性的影响,选取不同节理倾角及方位角的千枚岩岩样进行霍普金森杆(SHPB)试验,研究发现:对于动态单轴冲击试验,随着冲击速度的提高,各个节理倾角的千枚岩应力-应变曲线线形趋于一致,延性不断增强,动态抗压峰值强度整体得到提高;随着节理面倾角的增加,千枚岩动态单轴抗压强度先减小后增加,呈“U”型分布规律,β=45°或60°时动态单轴抗压强度最小;随着节理倾角的增加,千枚岩的动弹性模量以V=18.880 m/s为界,出现较大的离散;对于动态单轴压缩试验,随着冲击速度的增大千枚岩各向异性度(AD)呈现线性增大的变化规律;对于动态巴西劈裂试验,α=15°、30°、45°时,岩石应力快速增长,达到峰值强度后,岩样发生脆性破坏,当α为其他方位角角度的情况下,岩石应力增长较为平缓,岩样发生塑性破坏,且脆性破坏的峰值强度显著大于塑性破坏的峰值强度;千枚岩动态抗拉峰值强度先增长后减小,其中α=30°时动态抗拉峰值强度最大;千枚岩拉伸动弹性模量随着冲击速度提高总体提高;方位角不同,岩样的破坏模式也有所不同,随着α的增大,岩样破坏模式逐渐由沿节理面张拉破坏为主的模式转化为以垂直于节理面的张拉破坏为主的模式。

Ti-6Al-4V合金的修正本构模型及其有限元仿真

为解决高温高压环境下Johnson-Cook(J-C)本构模型不再适用于Ti-6Al-4V合金切削有限元仿真的问题,建立了基于重结晶的修正J-C本构模型,它可以体现出高速切削Ti-6Al-4V合金时的应力回落现象。首先,利用霍普金森压杆试验测得了Ti-6Al-4V的应力-应变数据,利用变量分离法拟合出修正J-C本构模型,该模型可以反映材料发生相变时应力-应变曲线的变化趋势,并能很好地逼近压杆试验数据曲线。然后,以AdvantEdge FEM有限元软件为平台,采用回退映射应力积分算法编写子程序,将该修正本构模型和J-C本构模型导入有限元系统,并对这2种本构模型进行有限元仿真。仿真结果对比表明:在相同的切削条件下,当温度超过850℃时,修正本构模型体现出流动应力急剧下降的现象,下降幅度为46.7%,而J-C本构模型的流动应力下降平缓,仅下降了11%,说明修正本构模型更贴近高速切削Ti-6Al-4V合金时的高温与高冲击环境。