不同含水率红陶土的SHPB动力学性能实验

为研究动态加载下红陶土的动态力学特性,利用分离式霍普金森压杆系统,开展了含水率分别为5%、7%、9%、11%、13%和15%,冲击速度分别为6、8、10 m/s,分析了不同含水率和应变率条件下红陶土的动力学特性。结果表明:随着冲击速度的增大,红陶土应变率效应显著;在冲击荷载作用下,红陶土的动态应力-应变关系曲线随加载应变率提高呈现2种曲线类型,分别为脆-塑性破坏和脆性破坏,随着应变率的增加,红陶土破坏过程由塑-脆性破坏逐转变为脆性破坏;红陶土的抗压强度、动态弹性模量均随应变率的增大而增加,并随着含水率的增大先减小后增大。

SHPB循环冲击实验技术在岩石冲击动力学教学中的应用研究

该文通过将SHPB实验与岩石冲击动力学相关理论课程相结合的教学模式,提高学生对岩石冲击力学响应和能量演化特征的认知与理解,培养学生在科学实验方面的实际操作能力和严谨态度,发挥学生自主开展实验研究的主观能动性,提升教学效果。基于多学科交叉融合理念,联系科学研究热点问题,引导学生进一步思考并探索更多“SHPB+”,有助于培养学生的科研实践能力与思维创新精神。

基于SHPB技术测试典型金属动态压缩性能的尺寸效应分析

为探究金属材料在SHPB动态测试中的尺寸效应问题,该文选用3种具有典型晶体结构的金属材料2A12铝合金(面心立方,FCC)、45钢(体心立方,BBC)以及TC4钛合金(密排六方,HCP),分别加工成具有相同长径比(0.8)、不同尺寸(Φ10 mm×8 mm,Φ5 mm×4 mm,Φ2 mm×1.6 mm)的圆柱形压缩试样,并采用三组不同杆径的SHPB装置(杆径分别为Φ19 mm、Φ12.7 mm、Φ5 mm)进行动态力学性能测试。结果表明:在金属材料的动态压缩力学性能测试中,所用试样的尺寸在满足一定要求时方可获得其稳定的塑性流动应力,对于绝大多数金属建议采用直径大于5 mm的试样进行测试;采用微型SHPB装置配合小尺寸试样所测得材料的塑性流动应力偏低;对应变率敏感的材料,其尺寸效应也更为显著;被测试样的塑性流动应力或与试样的应力三轴度(即一维应力程度)相关。该文意在分析SHPB测试中的尺寸问题以期对相关学者和工程技术人员准确地获取金属材料的动态实验数据提供参考。

基于SHPB试验的碳纳米管增强混凝土动态压缩行为研究

为探究碳纳米管增强混凝土在冲击荷载作用下的动态压缩行为,采用?100 mm大直径分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)对其进行了冲击试验,对比分析了不同冲击速度和碳纳米管掺量条件下混凝土的动态抗压强度、受压形变以及能量耗散特征的演化规律。试验结果表明:碳纳米管增强混凝土的动态强度特性具有显著的加载速率敏感性,动态抗压强度和动态强度增长因子均与冲击速度呈线性正相关的关系,当加载水平相同时,动态抗压强度随碳纳米管掺量的增大呈先上升后略有下降的变化趋势,且与普通混凝土相比增幅可达23.7%。碳纳米管增强混凝土的极限应变与冲击韧度的变化特点相似,均随冲击速度的增大而逐渐提高,具有一定的冲击速度强化效应,但与冲击速度之间并没有表现出明显的线性关系。在同一加载水平下,当碳纳米管掺量为0.30%时,混凝土的冲击韧度达到相对最大,较之普通混凝土提升约10%。掺入适量的碳纳米管能够有效强化混凝土内部结构的整体性和致密性,进而改善混凝土的动态力学性能以及能量耗散特征。

深部岩石动力学SHPB实验研究进展

深地岩石工程中,岩石处在高地应力、高温、高孔隙压力赋存状态以及动态扰动作用下,其稳定性被显著劣化,严重危害工程安全。近年来,研究人员在考虑原位应力和孔隙压力(差)的深部岩石动力实验方面取得了很大进展,因此有必要系统地回顾和总结这一领域的新进展。介绍了分离式霍普金森压杆(SHPB)的发展简史以及深部岩石动态实验的概况,包括实验装置、方法和结果的新进展。全面介绍了三轴围压SHPB系统与流固耦合SHPB系统的原理,以及相关的前沿应用和实验结果,包括多种应力状态和流固耦合条件下岩石动态强度和断裂韧度的实验方法和结果,总结了不同原位条件下深部岩石的动态破断机理与特征,相应成果为深部岩石工程的发展提供了重要的理论基础。

饱水砂岩SHPB试验研究与耗能分析

深部工程岩石常处于饱水状态,爆破开采时往往承受各种复杂的冲击力作用。为保障施工安全高效进行,研究不同冲击荷载下饱水砂岩的动态力学性能有着理论指导意义。试验测量饱水处理后砂岩试件的基本物理参数,并采用分离式霍普金森压杆装置(SHPB)对饱水砂岩试件开展6种不同冲击荷载作用下的动态压缩试验。结果表明:饱水砂岩试件动抗压强度随加载速率增大而增大,呈二次多项式关系,正相关性显著;随应变率提高,动抗压强度增长,两者近似指数函数关系;动应变受应变率作用明显,表现为二次增长关系;试件压缩破坏时的破碎程度随冲击速率增大而增大。随冲击气压增加,试件破裂面逐渐增多,吸收能量也越多,破碎程度加剧,碎块尺寸减小。

基于摆锤加载岩杆SHPB装置的充填体动态力学特性测试方法

针对充填体试样SHPB(split Hopkinson pressure bar)试验测试中存在的透射波测量的难点问题,采用岩石长杆代替钢杆作为入射杆和透射杆的方法改进摆锤冲击加载SHPB试验系统,探讨了SHPB试验中黏弹性波的传播及波阻抗匹配问题;基于应力波在岩石杆件系统中的传播规律研究,定义了应力波在入射杆和透射杆上传播的黏性衰减系数、试样-岩杆界面的透反射衰减系数;基于Kelvin-Voigt模型,利用一维波动分析程序,得到了岩石杆件-充填体的波阻抗匹配系数与透反射衰减系数的关系;依据现场充填体特性、波阻抗匹配系数和透反射衰减系数,选取了四种岩石长杆改进摆锤冲击加载SHPB试验装置;利用一维波动分析程序,计算了岩杆的黏性系数、充填体和岩杆界面的应力和应变,分析了透射波的波形特征和信噪比,发现四种岩石与充填体波阻抗的匹配程度从好到差依次为绿砂岩、花岗岩、大理岩、玄武岩;建立了以绿砂岩为入射杆和透射杆的摆锤冲击加载SHPB试验系统,开展了充填体的动态冲击试验,验证了试样中的应力平衡。

不同形状子弹在SHPB装置上的波形数值模拟研究

为探究不同形状子弹对加载的影响,使用LS-DYNA对14种不同形状、尺寸的子弹在SHPB装置入射杆上产生的加载波进行数值仿真,在冲击速度恒定为5 m/s的情况下,子弹对相同尺寸(50 mm)入射杆进行冲击,重点分析子弹产生加载波的波形。结果表明,对于等截面子弹,子弹截面尺寸不变时,随着子弹长度的增加,加载波的平台段随之变长;子弹长度不变时,随着子弹截面尺寸的增加,峰值应力也随之增加;但无论是子弹长度还是子弹的截面尺寸对上升至峰值应力所需时间几乎没有影响;对于变截面子弹,截面尺寸不变时,随着子弹尾部长度的增加,加载波的波形更接近半正弦波,峰值应力增大,加载波上升时间基本一致;当子弹尾部长度相同时,随着子弹头直径的减小,峰值应力变大,加载波上升时间基本一致。

砂土SHPB冲击试验与数值模拟研究进展及问题探讨

中高应变率下砂土的动力特性对防护工程、桩基贯入、船舶抛锚、飞机降落等问题具有重要意义。综述了砂土霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,简称SHPB)冲击试验及数值模拟研究现状,总结了目前砂土冲击特性研究存在的主要问题,归纳如下:(1)SHPB试验对于散体材料仍存在不确定性,如试样尺寸尚不规范统一、边界条件难以控制、三轴试验方法还不成熟等,未来三轴SHPB试验需要解决试样径向变形测量和围压恒定问题;(2)由于试验条件下排气和排水不确定,且存在惯性效应,导致应变率效应无法准确判断;(3)含水率对冲击特性的影响与孔隙水压力、孔隙气压力变化相关,但相关变量测量困难,结果难以分析,需要开发完全不排气、不排水的装置以消除边界条件影响;(4)现有方法如有限元法、离散元法、耦合方法无法统一模拟波传播连续性和颗粒破碎,需要克服计算量限制,建立考虑复杂机制(如含水、颗粒破碎)的数值模型来研究砂土冲击特性;(5)需要建立考虑应变率效应的本构模型,实现水分、颗粒破碎等复杂机制的模拟,完善中高应变率土力学理论框架。

基于SHPB的切缝药包防护特性研究

为探究定向断裂控制爆破中切缝药包对围岩的防护特性,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验对用药包材料制成的垫片防护下的花岗岩试块进行冲击,分别研究垫片与岩石间距、垫片材料和厚度因素对围岩防护效果的影响,分析在高速冲击下岩石的破碎情况和应力峰值,并建立多个切缝药包单孔爆破数值模型,通过对比不同情况下围岩损伤而进一步揭示切缝药包对围岩的防护特性机理。研究结果表明:岩石在强冲击荷载作用下严重破碎,当采用外壳垫片防护后,岩石的破碎程度有所降低。相同垫片厚度和垫片与岩石间距离固定的情况下,PVC外壳垫片防护效果要优于ABS外壳垫片。随着垫片厚度的增加和岩石与垫片间距的增加,岩石受损程度逐渐减弱,且增加垫片厚度对岩石的防护效果要优于增加岩石与垫片外壳间距的防护效果,研究成果可为控制爆破提供技术参考。

基于SHPB劈裂实验技术的岩石冲击动力学教学模式与实践

分离式霍普金森压杆(SHPB)是测定岩石材料在中、高应变率下动力响应行为的专业设备。为了帮助学生深刻认识和理解岩石的冲击劈裂力学特性与应力应变演化机理,聚焦岩石冲击动力学关键科学问题,将SHPB冲击劈裂实验技术引入岩石冲击动力学教学中,采用“理论+实验+讨论”的教学模式,建立教学课程的持续改进机制,解决了岩石冲击动力学理论知识学习的晦涩难懂、枯燥乏味,弥补了岩石冲击动力学理论教学的不足。可拓展学生的创新性思维以培养学生提出和解决关键科学问题的能力。

碳化硅试件的SHPB试验数值模拟与分析

采用ABAQUS软件对碳化硅试件的分离式霍普金森压杆试验(SHPB)进行有限元仿真,模拟冲击载荷下碳化硅试件的损伤演变过程,得到不同应变率下碳化硅试件的应力-应变曲线。仿真结果表明,碳化硅试件在受到压杆冲击时产生拉应力和压应力,在拉应力集中的地方首先出现微观失效,当压应力超过材料的抗压强度极限时试件整体压溃;压杆对碳化硅试件做功的93.8%用于产生塑性变形;碳化硅试件具有应变率强化效应,试件的动态抗压强度随应变率的增加而上升,最大抗压强度为10551 MPa,动态弹性模量受应变率的影响较小。

基于SHPB的构造煤动态力学特性试验研究

为探究构造煤在冲击动载作用下的力学特性,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置对赵庄煤矿3#煤样进行冲击试验,冲击气压设定为0.15、0.2、0.3 MPa。研究结果表明:不同冲击动载作用下,构造煤应变率随应变增大均呈M型,且具有显著的阶段特征,其最大应变率、平均应变率随冲击动载的增大而增加;低应变率条件下,煤样的应力-应变特性表现为显著的脆性材料特征,且动态抗压强度与平均应变率呈线性增大特征。热活化机制是低应变率煤岩动力学特性衍化的决定机制。

SHPB系统圆柱形试件的惯性效应分析

在对分离式Hopkinson压杆 (SHPB)实验系统试件惯性效应分析的基础上 ,增加了界面摩擦做功对试件惯性效应影响的分析 .在理论分析的基础上 ,就如何减小摩擦效应、惯性效应对实验结果的影响 ,对SHPB试件尺寸比例的设计以及摩擦系数的选取作了进一步的分析 ,另外还对SHPB实验过程中 ,试件两端应力平衡情况做了初步的讨论 .

基于砼SHPB试验数值分析的HJC模型参数研究

为了研究混凝土HJC本构模型的参数取值及其参数对混凝土动态性能的影响,本文基于HJC模型原始参数,运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对混凝土SHPB试验进行了数值模拟,结果显示数值计算结果与试验结果存在一定的差异。据此根据模型中参数的物理意义确定出可能影响混凝土动态性能的关键参数,通过保持其他参数不变、改变关键参数的方法对混凝土SHPB试验进行数值分析,得到了各关键参数对混凝土动态性能的影响规律,并基于该分析结果对HJC模型的原始参数进行了修正。数值模拟结果表明,采用本文修正参数的计算结果与试验结果吻合良好,能较准确地反映混凝土的动态性能。

饱水砂岩动态强度的SHPB试验研究

采用改进的φ75mm杆径SHPB试验装置,对长径比为0.5的开阳磷矿砂岩进行自然风干和饱水状态下的冲击压缩试验,对比INSTRON材料试验机的静载试验结果表明:冲击载荷作用下饱水砂岩的应力–应变关系不同于其静态应力–应变关系,中应变率加载条件下饱水砂岩动态强度与风干砂岩的动态强度相近,这与静载条件下饱水砂岩强度降低的结果相反;风干砂岩动态屈服应力与其静态相近,饱水砂岩动态屈服应力比其静态下的结果提高近2倍,表现出比自然风干砂岩更强的应变率敏感性;水对砂岩动态破坏效果有影响,自然风干砂岩比饱水砂岩受冲击破坏更为严重;冲击载荷作用下,饱水砂岩动态强度应考虑其自由水黏度及Stefan效应的影响。

基于HHT法的煤冲击破坏SHPB测试信号去噪

针对分离式霍普金森杆(SHPB)测试信号的高噪声、持时短、突变快等特点,利用希尔伯特-黄变换(HHT)分析技术对煤冲击破坏的测试信号进行去噪处理。用经验模式分解法(EMD)分解实测的煤冲击破坏SHPB测试信号,可以得到各固有模态函数(IMF)分量及其频谱和各IMF分量的能量百分比,从而利用低通滤波将原始信号中的高频噪声有效的分离出去。利用快速傅里叶变换(FFT)频谱和Morlet小波时频谱对比分析去噪前后信号的特征,定性的说明HHT法可以用于煤冲击破坏SHPB信号的去噪处理。通过计算去噪后信号的信噪比和能量百分比,定量的说明HHT法充分保留了煤冲击破坏SHPB信号本身的瞬态非平稳特征,去噪效果显著,方法简捷,结果可靠。

分层介质冲击响应的SHPB实验研究

借助SHPB实验装置建立了用于分层介质动态性能研究和数据分析的实验方法,通过调整子弹速度进行反复试验,测得由C30混凝土和泡沫混凝土组成的硬-软分层介质在冲击荷载下的应力、应变随时间的变化关系。实验结果显示,硬-软分层介质表现出的塑性性质明显强于硬材料的塑性,在应力、应变增加时,弹性模量逐渐减小,软材料的吸能作用很好的保护了硬材料,说明硬-软分层介质具有很好的抗高速冲击和削波作用。

高温SHPB实验技术及其应用

介绍了高温分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验方法,建立了一套高温SHPB实验系统,利用该系统研究了温度对某种抗氢钢动态压缩力学性能的影响,实验温度最高达到1 000 ℃,应变率为500～1 000 s-1 .仅对试件进行加温,并利用一套气动装置在加载前快速完成系统的组装,以尽量减小试件中温度分布的不均匀性.研究结果表明:该气动装置可以将加载前杆端与试件的完全接触时间控制在500 ms内;该抗氢钢的温度软化效应很明显,且温度敏感性随温度升高而下降.

SHPB实验技术研究

霍普金森压杆(SHPB)实验技术作为材料动态力学性能测试的有效手段,广泛地应用于材料的动态力学性能研究.本文系统地综述了SHPB实验技术的研究进展,指出当前存在的主要问题,并在此基础上提出解决问题的基本思路与方法.具体包括实验技术的基本原理、实验装置及数据处理方法的改进;提出了直接法和数据解耦的方法处理应力不均匀问题、使用软介质的方法处理大直径杆的弥散效应问题、用数学计算的方法处理试件端面摩擦效应的问题.