基于RHT模型的层理分布与爆破损伤关联耦合性分析

在层状围岩隧道钻爆施工中,层理往往会影响爆破效果,导致超欠挖、支护结构受力与设计不符、围岩稳定性不可控等不利后果,为此,基于某白云岩隧道掌子面特征及室内试验结果,通过数值模拟手段,利用RHT模型开展层理数量及分布对岩体爆破损伤关联耦合性影响分析。研究结果表明:用“接触”方式模拟层理能较好反映应力波在层理的反射、透射等力学行为特征,在特定条件下,应力波会在层理处形成应力波叠加,使得局部岩体的应力峰值变大,产生拉伸效应并激发裂纹;当冲击荷载超过层理强度阈值时,层理会被破坏而失去反射和透射作用;利用相邻层理间距的差值ΔH与损伤占比Dp作为拟合参数来揭示层理疏密程度与岩体爆破损伤的相关性,得到拟合公式Dp=6.54−0.12ΔH;当炮孔半径为R时,层理与炮孔距离小于18.3R时,层理对岩体爆破损伤演化的影响较小,大于18.3R时,层理对岩体爆破损伤演化的影响较大。

修正RHT模型在岩体爆破响应数值模拟中的应用

岩体爆破是一个极其复杂的物理过程,应用数值模型研究岩体爆破响应的关键在于能否准确地描述岩体在不同应力状态下的力学行为。基于应用标准RHT模型模拟岩体爆破破碎过程存在的缺陷,对RHT模型进行改进,提出了双线性拉伸软化模型,在残余强度面方程中引入罗德角因子,修正了应变率增强因子和拉-压子午比的计算公式。将修正后的RHT模型植入SHALE程序中,并通过不同应力路径下的数值试验检验了修正RHT模型性能。应用修正RHT模型和标准RHT模型分别对爆破漏斗试验进行数值模拟。计算结果表明,修正RHT模型在自由面处形成的爆破漏斗半径更接近于现场试验的实测结果,验证了修正RHT模型的合理性和准确性,说明该模型在岩体爆破响应数值模拟中具有一定的参考价值。

大理岩RHT模型参数确定研究

RHT模型共计包含34个参数,其中A,n,f_s*,f_t*,Q0,g_c*,ξ,D_1,ε_p^m,A_f,n_f,p_(comp)和N因试验获取途径复杂较难确定,多数学者在利用RHT模型模拟岩石爆破破碎时,不管岩石种类如何变化都只是简单引用混凝土的相关参数,为了较为准确地获得大理岩的相关参数取值,以静力学试验、声波测试试验和SHPB冲击试验为基础,LSDyna数值模拟为手段,通过正交试验的方法对以上参数进行优化确定,并将参数优化前、后的模拟曲线分别与SHPB冲击大理岩的试验曲线进行对比.结果表明:以上参数经过正交模拟试验优化确定后,缩小了模拟曲线与SHPB冲击试验曲线的对比误差,得到了适用于大理岩的RHT模型参数.

基于RHT模型双孔同时爆破均质岩体损伤的数值模拟

为探究双孔爆破时炮孔间距和额外自由面对爆破过程中爆破损伤的影响,基于RHT(RiedelHiermaier-Thoma)损伤本构建立了多组三维数值模型,利用模型损伤云图研究不同爆破条件下的岩石爆破过程,通过自定义变量—有效损伤率的变化探究炮孔周围岩石损伤的时空演化过程。结果表明:随着炮孔间距的增加,岩石有效损伤率逐渐递减,相同截面处的有效损伤率在炮孔间距最小的方案中最大,相邻炮孔间的爆破能量叠加作用随炮孔间距的增大而减弱,合适的炮孔间距可以获得更加理想的爆破效果;岩石有效损伤率随着自由面到炮孔中心处距离的增大而逐渐减小,爆破能量倾向于向自由面方向传播,额外自由面对爆破能量分布的影响随自由面与炮孔间距的增大而减弱。数值模拟结果对研究双孔爆破能量的传递法则具有一定的借鉴意义。

岩石RHT模型主要参数敏感性及确定方法研究

在34个RHT模型参数中,19个参数可以通过试验、理论研究等手段获得,但还剩15个参数较难确定.为了较为准确的获得相关参数,在只改变参数N、p_(comp)、f_t~*、f_s~*、A、n、Q_0、g_c~*、ξ、D_1、ε_p^m、A_f、n_f、B、g_t~*的情况下,利用LS-DYNA对石灰岩进行单轴、三轴压缩模拟计算,通过对比RHT模型的弹性、线性强化以及损伤软化段的曲线对以上15个参数的敏感性进行研究,并以红砂岩为例,利用SHPB冲击红砂岩获得应力-应变曲线,并通过静力学、声波测试等试验获得红砂岩相关物理参数,以LS-DYNA模拟SHPB冲击试验作为手段,通过正交试验的方法得到了红砂岩的RHT模型参数,为了验证所确定参数的正确性,将LS-DYNA模拟SHPB冲击红砂岩的曲线与SHPB冲击试验曲线进行了对比,取得了令人满意的效果.

应用正交试验法的RHT模型参数敏感性研究

基于RHT模型的理论分析,选出A、N、B、M、BQ、fs/fc、Tten、D1和Ef,min9个参数作为正交试验分析参数,研究RHT模型中参数的敏感性.运用Autodyn程序对弹丸侵彻混凝土过程进行数值分析,确定了不同参数、不同水平值下弹丸的侵彻深度.采用极差分析法对参数的敏感程度进行量化分析,得出9个参数的敏感性排序为B>Ef,min>Tten>fs/fc>N>M>D1>BQ>A.结合3组典型数值试验损伤云图和侵彻深度的对比分析,认为参数B、Ef,min和Tten对数值模拟试验结果的影响极大,应采取可靠的技术手段准确确定其取值.

基于Matlab的花岗岩RHT模型参数确定研究

在采用冲击锤破岩或爆破破岩的工程中,为优化设计和施工方案,往往需要掌握岩石在动载作用下的力学特性。RHT(Riedel-Hiermaier-Thoma)模型可用于模拟花岗岩等脆性材料的冲击损伤特征。为了准确确定花岗岩RHT模型参数,需在SHPB(Split-Hopkinson-Pressure-Bar)试验的基础上进行多次数值模拟,进而优化确定RHT模型参数值,但该数值模拟过程较为繁琐,效率极低,给工程人员确定RHT模型参数带来了极大不便。本文提出了基于Matlab的花岗岩RHT模型参数高效确定方法。通过运用Matlab软件对LS-DYNA软件的输入文件、执行文件和结果文件进行修改和处理,实现了Matlab软件和LS-DYNA软件的联合数值模拟,进而高效地优化确定了深中通道沉管隧道工程花岗岩的RHT模型参数。所提方法可为实际工程中快捷地确定RHT模型参数提供一条有效的途径。

RHT模型的改进与数值拟合

RHT模型普遍用于混凝土的数值模拟当中,但该模型的相关参数较难获得.利用SHPB实验测得C40混凝土应力应变曲线,并从该曲线中选取RHT模型中弹性极限面和失效强度面对应的应力状态点进行数值拟合,从而得到RHT模型参数A、N、δ、α.并引进当前面所对应的归一化静水压参量和应变增量,改进了损伤量D的描述,从而改进了在混凝土数值计算中广泛应用的RHT模型.结果表明:改进RHT模型得到的理论应力应变曲线与实验曲线吻合良好,可作为获得RHT模型参数的有效方法.

侵彻条件下岩石类材料RHT模型参数敏感性分析

材料模型的参数敏感性分析对于简化材料参数确定及精确仿真计算结果具有重要意义。针对弹体侵彻半无限厚岩石靶体问题,考虑多种类型岩石的材料参数变化范围及参数间的非独立性,利用优化拉丁超立方设计(Opt LHD)算法设计了RHT模型参数计算矩阵并开展了参数敏感性分析,克服了以往研究中常采用单因素变量法进行分析的不足。分别以侵彻深度、弹体质量损失率及靶体损伤度为评价指标,结合355个有效数值仿真结果,分析了参数间的交互效应。结果表明,参数间存在交互效应,但总体参数组合对三类评价指标的交互效应均不显著,因此,进一步对参数进行了主效应分析。为了定量评价参数敏感性差异,通过建立参数与评价指标间的响应面模型,基于多元二次回归模型计算了参数贡献率,进一步得到了对于不同评价指标的材料参数敏感性排序结果。

爆炸作用下RHT模型参数敏感性分析

混凝土RHT本构模型广泛应用于机场跑道等重要军事目标的材料动态力学响应过程的数值模拟,其本构参数的取值直接影响计算结果的准确度。论文定义了无量纲形式的敏感度函数,针对RHT本构模型参数进行了敏感性分析,确定了爆炸过程模型参数的敏感度,分析结果为数值模拟和试验方案优化设计提供了参考依据。

基于RHT模型的冲击荷载作用下钢筋混凝土梁动力响应分析

为了研究冲击荷载下钢筋混凝土结构的响应规律,提出RHT本构模型,通过数值模拟研究冲击作用下钢筋混凝土梁的抗弯性能和损伤机理;通过动态摩擦理论建立冲击荷载接触模型,基于剪切变形理论和完全积分法计算排除沙漏模式,提高计算精度,由RHT本构模型输出损伤因子,辅以P-alphaEOS方程模拟混凝土压实效应,输出危险截面位移,利用结构截面损伤因子对损伤评估进行建模.结果表明,基于RHT本构模型损伤因子的评估函数模型可以有效地描述梁体受冲击的损伤分布,箍筋间距和混凝土保护层厚度均对混凝土损伤分布和抗弯性能具有影响.

基于RHT本构模型的钢渣混凝土SHPB模拟研究

本文采用试验和数值模拟相结合的方法,对钢渣混凝土的静力学性能和冲击动力学性能展开研究。在试验部分,制备了四种不同钢渣掺量(0%、25%、35%、45%)的混凝土试件,并对其抗压强度和抗拉强度进行测试。在数值模拟部分,建立钢渣混凝土的三维有限元模型,采用了RHT本构模型来描述混凝土的非线性本构关系,模拟不同钢渣掺量下混凝土的SHPB冲击动力学响应。结果表明:钢渣掺量的增加会导致混凝土的静力学性能和冲击动力学性能均呈下降趋势;当钢渣掺量为25%时,混凝土的冲击状态和参数与钢渣掺量为0%时的混凝土最相近,具有较高的抗冲击能力;当钢渣掺量为45%时,混凝土的冲击峰值应力最低,表现出完全损伤的特征。

弹体对超高性能混凝土侵彻深度的研究

为了评估超高性能混凝土(UHPC)的抗侵彻性能,对UHPC靶板进行了侵彻试验与数值模拟。首先,利用Φ35 mm火炮对抗压强度为160 MPa的UHPC靶板开展了216~345 m/s速度下的弹体侵彻试验,结果表明:随着弹体速度的增加,侵彻深度与开坑直径皆有明显增加。随后在数值模拟过程中,确立了UHPC的RHT材料模型参数,为了验证材料模型的有效性,采用单轴压缩与霍普金森压杆试验结果对三维有限元模型进行了验证,模拟结果与实验结果吻合良好,表明参数选取科学合理。最后,对弹体侵彻UHPC的过程进行数值模拟,参数化分析了UHPC抗压强度、弹体质量、侵彻速度、弹径、弹头形状对UHPC侵彻深度的影响,并据此推导出弹体对UHPC侵彻深度计算公式。

考虑地应力与先爆孔损伤的光面爆破数值模拟

为了研究先爆孔损伤与地应力对不同埋深条件下岩石光面爆破损伤演化规律的影响,首先采用二维数值模拟确定了RHT模型适用于光面爆破的损伤阈值为0.5,然后建立三维模型,采用ANSYS-DYNA隐式-显式序列求解法对模型施加地应力,通过等效刚度折减模拟先爆孔损伤,探究了岩石损伤在空间中的分布规律。结果表明:地应力的存在对深部岩石的爆破损伤有抑制作用,且这种抑制作用会随埋深的增加而愈发明显;先爆孔爆破对岩石造成的损伤对后续光爆孔破岩有促进作用;不同埋深下进行光爆作业时最佳光爆层厚度及光爆孔间距均不一样,当同时考虑先爆孔损伤与地应力影响时,埋深较小时二者取值可适当增加,埋深较大时二者取值应随埋深的增加而相应减小。

射孔弹侵彻岩层及能量转化效率研究

为研究射孔弹侵彻岩层的过程及爆炸后能量的分布情况,基于对称罚函数的流固耦合算法及岩层的RHT(Redel-Hiermaier-Thoma)本构模型,借助显式非线性动力学分析程序LS-DYNA,建立了1/2二维射孔弹-空气-岩层对称数值模拟模型,系统地分析了射孔弹在不同的装药类型、药型罩壁厚及锥角下射流侵彻岩层的深度及能量转化情况。研究结果表明:射孔弹主装炸药的爆速和猛度对射流侵彻岩层深度的影响显著;射孔弹炸药的爆速和猛度越高,射流的头部峰值速度越高,侵彻岩层深度越大;射孔弹主装炸药为RDX时,射流的有效能量转化率最大,其次分别为HNS、HMX。药型罩壁厚在0.6~1.5 mm范围内,适当减小厚度,可以提升射流的头部速度及岩层的穿深;但与此同时,射流的有效能量占比将降低,爆轰能量将增大。锥角在55°~70°范围内,适当减小锥角,射流的有效能量转化率及侵彻岩层的深度将增大,爆轰能量转化率将减小。

岩体单孔爆破损伤的三维数值模拟研究

为了探究单孔爆破情况下岩石损伤情况,基于ANSYS/LS-DYNA软件,采用RHT材料模型,建立了多组三维数值模型,探究了三维空间下岩石单孔爆破在不同装药长度、不同地应力条件下的损伤情况,并结合自定义变量—有效损伤率来表征岩石在单孔爆破条件下损伤的时空演化规律。结果表明:从孔底到自由面,岩石的损伤逐渐增大,距离炮孔越近,岩石的损伤越严重;随着装药长度的增加,围岩对药卷的空间约束作用也在增强,岩石损伤的增长速率会逐渐减小;地应力在岩石的爆破过程中对岩石损伤具有抑制作用,且岩石损伤会向着地应力最大的方向发展。

不同位置爆源作用下硐室围岩损伤规律的数值模拟研究

爆破作用下硐室围岩的损伤扩展过程对硐室抗爆设计具有重要意义。为探究不同位置爆源作用下硐室围岩的损伤扩展规律,利用有限元模拟软件ANSYS/LS-DYNA建立了顶爆、拱顶侧爆、侧爆、底部侧爆及底爆5个等爆源距数值计算模型,对模型中的岩体采用RHT模型分析了不同位置爆源作用下硐室围岩的损伤扩展过程。在此基础上,在模型中沿爆源至硐室边界处等距离地设置了10个振速监测点,研究了爆源中心至硐室边界处的振动速度衰减规律。结果表明:相同爆源距不同爆源位置下硐室围岩的损伤扩展规律为首先在距爆源最近距离处出现“损伤点”,在“损伤点”形成后,损伤区沿着硐室边界逐步扩展,最终形成沿硐室边界处的损伤区。相较于爆破振动速度衰减规律,爆破振动波在硐室围岩处发生全反射,使硐室围岩处爆破振动速度出现放大效应。同时,爆源至硐室围岩处的损伤演化与峰值振速变化规律相互对应,将硐室围岩处峰值振速放大效应与硐室围岩的损伤结合,认为硐室围岩是否产生损伤可通过监测其振动速度进行确定。

RHT混凝土本构模型强度参数分析与模拟

在相关试验基础上,针对RHT混凝土本构模型在爆炸侵彻模拟过程导致失效强度降低的问题,对RHT强度参数进行了分析校正;进而利用AUTODYN对混凝土爆炸作用下破坏响应进行了模拟,将RHT强度参数调整前后的计算结果对比分析发现,强度参数调整后混凝土受力状态基本不变,失效强度提高,此时忽略强度参数的调整对爆炸波的传播反射作用产生的影响。

爆炸荷载作用下钢筋混凝土墙的动态响应模拟

针对某地下军火库的钢筋混凝土墙以及地面的防爆墙,采用AUTODYN软件,结合RHT模型,模拟了爆炸荷载作用下两者的动态损伤响应。首先根据军火库的炸药存放量,采用数值模拟方法计算得出不同部位的爆炸荷载。针对钢筋混凝土隔墙,采用二维模型计算临近库房意外爆炸通过沙土传播引起的压力时程曲线;针对地面的钢筋混凝土防爆墙,采用三维有限元模拟爆炸波在库房内以及出口的传递,从而计算作用于防爆墙的荷载。然后将相应的荷载分别作用于钢筋混凝土隔墙以及防爆墙,采用RHT混凝土模型,对两者的动态响应进行模拟。计算结果表明:针对可能的炸药存放量,一旦发生意外爆炸,不仅存放炸药的库房会出现严重破坏,而且破坏还会引起相邻库房钢筋混凝土隔墙的严重破坏,出现明显的塑性铰线,整个墙体产生巨大变形;而设置于地面的防爆墙则出现严重的整体坍塌。

瓦斯剧烈爆炸隧道衬砌损伤数值模拟与机理分析

洛带古镇隧道瓦斯爆炸致灾为近年来唯一、典型的公路隧道内剧烈爆炸案例,为探究隧道衬砌在剧烈爆炸效应下的损伤机理,对爆源进行等效、量化研究,采用RHT模型模拟衬砌并修正部分关键参数,在LS-DYNA中使用ALE技术建立与隧道横断面尺寸一致的流固耦合数值模型,模拟了隧道衬砌的损伤过程并分析其受力状态。研究表明:爆心距0~5.1 m范围的衬砌在爆炸冲击波剧烈冲压作用下由局部破坏发展为完全破坏;爆心距5.1~10.9 m范围衬砌上密集的损伤裂缝在拉、压交替作用下扩张将衬砌分割成块状结构形成严重破坏区;爆心距10.9 m以外衬砌主要在拉应力下产生纵向、环向损伤裂缝,为一般损伤区;衬砌受损部位主要位于拱部、曲边墙处,曲边墙脚处的"犄角结构"使得该处破坏尤为严重。数值模拟结果与隧道实际损伤调查情况及基于SDOF法对隧道损伤评价结果基本一致,表明研究方法合理、计算参数取值可靠,可为大型复杂结构体内爆炸或可燃气体爆炸问题研究提供参考。