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。

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。

动态冲击下龄期较短充填体的力学特性研究

充填体材料发挥支撑作用时往往会受到爆破、钻孔等外界的动态扰动,严重危害采矿安全,同时养护时间长短也会影响矿山开采效率。采用分离式霍普金森压杆(SHPB)系统研究不同龄期尾砂胶结充填体的力学特性,同时使用LS-DYNA有限元软件对试样在动态冲击作用下的应力-应变特性进行数值模拟。研究表明:在动态冲击作用下,龄期28d的试样较龄期3d的试样压密阶段短,线弹性阶段长,且峰后强度下降明显,2种试样动态强度与应变率基本呈正相关关系。模拟结果表明:龄期3d的试样在靠近透射端一侧出现较大的应力集中区,产生应变并均匀的向入射端扩展;龄期28d的试样应力集中区与应变主要出现在侧面轴向,逐渐贯穿整个试样。模拟结果与高速摄影捕捉的裂纹扩展情况相符。研究结果能够为地下矿山确定合理的回采时间提供一定的理论参考。

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。

典型壁板结构爆炸冲击实验与仿真研究

空空导弹战斗部爆炸产生的爆炸冲击波毁伤源对飞机蒙皮结构的损伤效果受多种因素影响,作用机理较为复杂,因此冲击波对飞机蒙皮结构的毁伤评估需要大量的实验和计算样本支撑。本文设计并进行铝合金加筋平板静爆实验,分析固支加筋平板在冲击波加载下的动态响应和变形规律;采用有限元分析软件LS-DYNA对爆炸冲击下的结构响应进行仿真分析,通过对比仿真结果与实验结果对数值仿真模型的准确性进行验证。结果表明:孔洞面积占该形式加筋平板面积大于1‰时,靶板更容易发生以固支边界撕裂为主要形式的拉伸失效,增大孔径或增加孔的数量都有提高孔间贯穿损伤的风险;同爆距下爆炸物与目标迎爆面的夹角越大,靶板的变形程度越严重,夹角从30°增大至60°时目标挠度可增加30%以上。

SHPB冲击技术在岩石动态力学教学实验中的应用

利用霍普金森冲击压杆试验系统(SHPB)测量岩石在冲击荷载下的动态力学性能,开设自主探究性科研实验教学项目,让学生了解岩石动态力学性能与静态力学性能的区别,以及围压对动应力下岩石的有利作用,学习SHPB系统进行岩石动载实验的原理和理论方法,熟练掌握SHPB实验设备操作过程及数据处理方法。通过该教学实验,锻炼了学生的实践动手能力及科研素养,增强了学生科研创新与探索精神。

软材料和松散材料SHPB冲击压缩实验方法研究

针对采用SHPB装置研究泡沫等软材料和黄土、砂等松散介质的动态特性时存在的实验技术问题,提出利用钢套筒约束试件横向变形的方法,在SHPB冲击加载装置上实现材料准一维应变实验,研究了上述材料在准一维应变条件下的动态力学特性。本文同时指出,可以通过引入一约束系数描述试件一维应变条件的满足程度,并指出钢套筒的横向变形对实现试件一维应变的影响不大。在此基础上,进行了相关实验研究,说明了该实验技术能较好地满足软材料或松散介质力学性能研究工作的需要。

基于Taylor实验及理论分析的泡沫铝动态冲击特性研究

泡沫铝是一种优异的结构材料,有着广泛的应用前景,研究其冲击动力学性能具有重要的理论意义及工程应用价值。Taylor冲击实验主要利用圆柱弹体撞击刚性墙来获取弹体材料的动态响应数据,是一种重要的动态实验手段,在实体金属领域较为成熟。由于泡沫铝自身的可压缩性,经典Taylor理论无法适用,在一定假设基础上基于实验数据建立了针对泡沫铝动态冲击响应的Taylor分析模型,并验证了模型的有效性。实验结果表明:Taylor冲击后,泡沫铝子弹变形段平均密度随撞击速度的增加而增加,且当撞击速度大于110m/s时,其增长趋于平缓;泡沫铝子弹剩余长度随撞击速度的增加而减小,且近似呈线性关系。

SHPB冲击压缩实验中泡沫塑料应力均匀化过程的数值模拟

对SHPB实验中泡沫塑料的本构关系进行了分段线性化处理,基于一维弹性应力波理论用数值方法对变形过程进行了模拟。结果表明,实验初期试件处于严重的应力不均匀状态;并且由于试件与输入/输出杆的界面处存在波阻抗不匹配现象,实验中后期的应力均匀化程度也无法得到有效提高;若将子弹及输入/输出杆的材料更换为刚度较低的聚合物,可有效地减少波阻抗不匹配的程度,从而使实验中后期的应力均匀化水平得以大幅度提高,但实验所能够达到的最大应变值可能受到限制。

热冲击对花岗岩动态断裂行为的影响研究

为了研究热冲击对加热花岗岩的影响,使用3种冷却方法来提供不同的冷却速率,对花岗岩试样施加不同程度的热冲击作用。通过分离式霍普金森压杆(SHPB)系统对热冲击处理后的花岗岩半圆盘中心直裂纹三点弯曲(NSCB)试样进行冲击断裂试验,并利用高速摄像机记录了试样的断裂模式。试验结果表明:随着试样温度和冷却速率的提升,试样的干密度和纵波波速显著下降,试样的孔隙率加大。试样的断裂韧度变化及破坏模式表明热冲击作用使花岗岩试样受到冲击力时抗裂纹扩展的能力下降,尤其在冲击载荷的加载率高于130 GPa·m^(0.5)/s时下降尤为明显。

SHPB冲击荷载下碱化水稻秸秆基尾砂胶结充填体动态力学性能响应

充填采矿过程中,充填体不可避免地经历开挖和爆破等动态扰动,降低了充填体的稳定性。为此,将成本低、来源广的农业废弃物水稻秸秆掺加到尾砂胶结充填体中,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)研究了掺不同含量碱化水稻秸秆(经NaOH溶液碱化处理)的充填体在单次与循环冲击荷载下的动态力学特征。结果表明:单次冲击荷载下,所有充填体均具有明显的应变率增强效应,而碱化水稻秸秆的掺入显著提高了充填体的动态抗压强度;随着碱化水稻秸秆含量由0%增加至0.4%,充填体的动态抗压强度先增加再减小,充填体的动态抗压强度增幅14.06%~26.81%,碱化水稻秸秆最佳掺量为0.3%。掺碱化水稻秸秆的充填体应变更大;随着平均应变率增加,充填体的破坏程度逐渐加剧,但是碱化水稻秸秆的掺入更能维持充填体的稳定性,最终发生破坏时块体更大。相同冲击次数的循环冲击荷载下,掺碱化水稻秸秆的充填体动态抗压强度更大,且碱化水稻秸秆最佳掺量仍为0.3%。碱化水稻秸秆表面被水泥水化产物覆盖,提高了其与充填体基体的黏结强度,使碱化水稻秸秆在充填体基体内部起到桥连作用,抑制了裂纹的扩展,为预脱落的块体提供拉力,进而改善了充填体的动态力学特征。碱化水稻秸秆显著提高了充填体的稳定性和抗冲击性能,更有利于提高井下作业的安全性。

冲击载荷下张拉预应力红砂岩的动态张拉强度弱化效应

深部围岩的张拉破坏是一种常见的破坏模式,这与深部围岩处于高应力和冲击荷载的组合受力状态密切相关。本研究中,使用分离式霍普金森压杆(SHPB)设备对不同张拉预应力水平下的红砂岩巴西圆盘试样进行不同加载速率下动态张拉试验。基于试验的准静态峰值拉伸应力,确定了试验的张拉预应力水平分别为0,0.48,1.44,2.39,3.45和4.30 MPa,以及400~1200 GPa/s范围内的冲击荷载的加载速率。试验结果表明,动态张拉强度与加载速率呈显著的线性正相关关系,且随着加载速率的增加而逐渐增加,表现出明显的率效应。在相同加载速率下,动态张拉强度随着张拉预应力水平的增加而显著降低,表现出明显的动态张拉强度弱化效应。此外,总结了动态张拉度弱化效应机理,其中张拉预应力水平决定了动态张拉强度弱化水平,而冲击载荷则促进了强度弱化效应的显现。

高温后水泥砂浆-花岗岩复合层动态力学性能试验研究

为研究高温后水泥砂浆-花岗岩复合层的动态力学特性,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)设备,以温度和加载速率为可变参数,开展了复合层试件动态压缩试验及静压对比试验。结果表明:动态抗压强度和动态强度增长因子(dynamic intensity factor, DIF)均有显著的应变率效应,应变率低于45 s~(-1)时DIF随温度升高单调减小,高于45 s~(-1)后DIF随温度升高先减小后增大;高温后复合层界面黏结减弱,随着温度升高水泥砂浆和花岗岩破坏形态差异化增大;复合层试件削波耗能特性表现出加载速率低敏感和温度高敏感。峰值应力比和耗能率不随加载速率的改变而发生明显变化,高温后复合层等效波阻抗下降,削波能力得到增强而耗能效果受到削弱;随着温度升高,入射能更多地转化为反射能,透射能及破坏耗能的占比下降。

水下爆炸冲击下箱型隧道结构破坏试验及数值模拟

针对水下爆炸荷载作用下混凝土隧道结构的动态响应、损伤演化及其破坏问题,本文采取室内模型试验与数值计算相结合的方法,根据东湖水下隧道设计了比尺为40∶1的试件,开展了水下箱型混凝土隧道缩比模型的爆炸试验,通过监测应变信号,比较了不同乳化炸药当量下混凝土隧道试件的动态响应规律,通过测量破坏范围的大小、裂缝扩展的长度,调查了箱型隧道缩比模型试件在水下爆破荷载作用下的破坏形式;采用ANSYS/LSDYNA中S-ALE算法对试验进行了1∶1建模仿真分析,对照试验数据及破坏形态,发现模拟结果与试验结果基本一致,同时对仿真结果进一步分析得到了水下爆炸冲击波的传播完整过程和试件结构的变形规律,通过对测点应变、位移数据的统计分析,揭示了箱型隧道试件在爆炸荷载下的动态响应机理。结果表明:箱型混凝土隧道结构在横向上的应变远大于纵向上应变;隧道破坏位置主要集中在爆源附近区域以及结构转角位置,验证了S-ALE算法能够较为准确的模拟出水下爆炸下结构的动态响应及损伤演化。

基于SHPB实验的煤层气固井水泥动态力学特性

为模拟射孔对固井水泥冲击破坏作用,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对煤层气常规、纤维固井水泥实样实施高速冲击加载。结果显示:常规固井水泥动态应力-应变曲线卸载阶段斜率较陡,反映材料为脆性断裂;而纤维固井水泥应力-应变曲线卸载阶段斜率平缓,表现出塑性材料破坏形式;常规固井水泥在动态压缩强度、峰值应变上高于纤维固井水泥,对冲击气压条件反应敏感,指示常规固井水泥脆性强烈;纤维固井水泥动态弹性模量与能量耗散效率方面优于常规固井水泥,与内部纤维自调节能力有关;高速冲击下常规固井水泥实样以劈裂式张性破坏为主,实样破碎严重、破碎块度细且易形成辐射型破坏;纤维固井水泥在低冲击气压下以剪切破坏为主,高冲击气压下以压碎式破坏为主;冲击中纤维固井水泥由于纤维拉拽、纤维-水泥界面解离等效应提升了材料的吸能效率和抗冲击性能,对于保障深部煤层气井固井水泥完整性,提升煤层气藏排水降压效率具有实际意义。

6008铝合金冲击实验及其动态本构模型

为了弥补6008铝合金在冲击载荷作用下的力学性能及其动态本构模型研究的不足,采用RPL-100型材料试验机和分离式霍普金森压杆获取了该材料在不同应变率下的应力—应变曲线.结果表明:随着应变率的增加,6008铝合金的屈服强度、强度极限与流动应力增加,应变硬化率减小,屈服滞后现象明显.基于实验结果与Johnson-Cook模型,引入Cowper-Symonds本构模型来描述6008铝合金的应变率效应,同时考虑到该材料冲击过程中绝热温升的影响,构建了适用于6008铝合金的改进Johnson-Cook模型.结果表明,改进Johnson-Cook模型能够能较好地描述6008铝合金的应变率效应并能准确地预测其流动应力,可为实际工程中的数值模拟问题提供参考.

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。

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.

450MPa级船用钢冲击实验研究及Cowper-Symonds本构模型(英文)

应用SHPB实验技术,对450MPa级船用钢进行冲击实验研究,建立了材料的Cowper-Symonds本构模型。冲击实验发现,450MPa级船用钢的动态流动应力在变形过程中,具有二次非线性强化规律、存在强化转折点。当材料的变形小于转折点的应变时,动态流动应力随应变的增大而增大;当材料的变形大于转折点的应变时,动态流动应力随应变的增大而减小。文中还对Cowper-Symonds本构模型的适用范围进行了讨论。