冲击荷载作用下花岗岩动力特性试验分析

利用SHPB试验设备,研究花岗岩在不同冲击气体压力下的压缩力学性能,讨论岩石类材料的应力-应变特性和破坏过程。结果表明,花岗岩的平均应变率与冲击气体压力有明显相关性,在不同冲击压力下,应变率时间历程曲线明显不同;岩石的应力-应变曲线可分成初始压密、稳定变形、非线性弹性与破坏4个阶段,且冲击气压存在一个使岩石破碎效果明显的合理值;其破坏形式大多以沿轴向的劈裂破坏为主,但在较高的冲击气压作用下,岩石则呈压碎破坏形式。     

三轴SHPB加载下砂岩力学特性及破坏模式试验研究

利用改造的三轴SHPB动静组合加载实验装置,对均质砂岩进行不同围压与不同应变率下三轴冲击压缩试验,作为对比利用RMT - 150C试验机也进行了部分准静态下三轴压缩实验.根据实验结果,分析围压对砂岩动态冲击性能的影响,并讨论冲击过程中岩石的破坏模式.研究结果表明,在围压一定情况下,岩石的动态压缩强度随应变率的提高而提高;在应变率相同情况下,岩石的动态压缩强度与弹性模量会随着围压的增大而增大.岩石发生破坏的临界入射能,随着围压的增大而增大.岩石单位体积吸收能与应变率之间呈线性递增关系,且递增的程度随围压的增加而增加.三轴冲击加载下,应变率较低时岩石内部形成压剪破裂面但整体不失稳,应变率很大时岩石破碎形成锥形块体形式.     

动载下结晶灰岩动力学性能研究

针对保留围岩在爆炸荷载下的稳定性问题,基于SHPB、二波分析和分形理论等,对不同应变率加载下云南某矿区结晶灰岩的应力-应变曲线、破碎形态、分型维数及能量耗散特性开展相关研究。试验结果表明：应变率为49.64 s^-1时,岩石试件破坏模式主要为轴向劈裂破坏;应变率为87.05 s^-1时的破坏模式为劈裂-剪切组合破坏;在动态抗压强度方面,随着应变率的增加岩石的动态抗压强度与之呈明显的线性正相关关系,与静态抗压强度相比,动态强度增长因子由1.19增长至2.86;随着应变率增加,分形维数表现出逐渐增大的规律,应变率在30.37～138.18 s^-1时,D_f值从1.96增加至2.23,但随着应变率的增加D_f最终趋于某一阈值;耗能密度随入射能量呈指数增长。研究结果提供了不同应变率冲击荷载下结晶灰岩的动态破碎和耗能规律,为此类矿区安全高效的爆破施工及类似工程设计提供依据。     

三轴SHPB加载下砂岩力学特性和破坏模式的试验研究

利用改造的三轴SHPB动静组合加载实验装置,对均质砂岩进行了不同围压和不同应变率下的三轴冲击压缩试验,作为对比利用RMT-150C试验机也进行了部分准静态下的三轴压缩实验。根据实验结果,分析了围压对砂岩动态冲击性能的影响,并重点讨论了冲击过程中岩石的破坏模式。研究结果表明,在围压一定的情况下,岩石的动态压缩强度随应变率的提高而提高;在应变率相同的情况下,岩石的动态压缩强度和弹性模量会随着围压的增大而增大。岩石发生破坏的临界入射能,随着围压的增大而增大。岩石单位体积吸收能与应变率之间呈线性递增关系,而且递增的程度随着围压的增加而增加。三轴冲击加载下,应变率较低时岩石内部形成压剪破裂面但整体不失稳,应变率很大时岩石破碎形成锥形块体形式。     

冲击载荷作用下应变率对砂岩力学性能的影响

借助于ANSYA/LS-DYNA数值分析软件对SHPB试验进行数值模拟,就不同应变率对砂岩力学性能的影响进行了研究,探讨了不同应变率对砂岩峰值应力、弹性模量、软化模量的影响规律,系统地分析了砂岩在不同应变率作用下的破坏规律。结果表明:随着应变率的增加,峰值应力显著增加,表现出较强的应变率相关性;应变率增大,弹性模量随之增大,但增长速率逐渐减小;应变率越大,软化模量反而降低。应变率ε从632.4 s-1变化到752.5 s-1时,软化模量由-2.98降到-4.18,降低了28.71%;当应变率ε大于752.5 s-1为1757.9时,软化模量仅降低了5%,说明应变率较大时变化趋势较为缓慢。高应变率下砂岩试件的动态压缩破坏主要呈现为轴向劈裂破坏。     

白垩系冻结砂岩动态统计损伤本构关系研究

为了研究饱和冻结砂岩的本构关系,依托白垩系地层煤矿立井建设中冻结凿井工程,开展室内SHPB冲击试验获取冻结砂岩在不同应变率下的动态应力应变曲线,在分析岩石动力学特性的基础上,建立了基于Weibull统计分布、Drucker-Prager破坏准则及等效应变原理的砂岩强度型动态统计损伤本构关系。结果表明:冻结砂岩动态应力应变曲线分为线弹性、弹塑性及塑形软化3个阶段,动态抗压强度与峰值应变的应变率■强化效应显著;随■的升高,岩石用于内部微缺陷衍生和扩展的能量逐渐变大,参与破坏过程的裂隙增多,宏观上表现出比能量吸收值(SEA)的应变率相关性明显;统计本构关系中,表征岩石初始微缺陷的损伤系数δ能够反映饱和冻结砂岩受冲击时的弹塑性特征,经拟合确定最佳初始损伤系数δ=0.95;理论模型曲线与试验曲线吻合良好,模型能较好地反映冲击载荷下岩石线弹性和弹塑性阶段的强度分布。     

考虑岩石应变率效应的DDA程序

针对原经典DDA程序在研究岩石动力学问题时不考虑岩石的应变率效应,在DDA程序中引入与岩石应变率相关的动态强度表达式,将块体间接触弹簧破坏准则发展为动态破坏准则,进而完善DDA程序对岩石动力学破坏问题的处理能力。用原DDA程序和改进DDA程序对动载作用下岩石单轴拉、压破坏实验进行模拟,两者的模拟结果对比分析表明:在不同的加载速率作用下,原DDA程序得到的失效应力和破坏形式基本没有变化,这与实验结果不相符。但是,在不同的加载速率作用下,改进的DDA程序得到破坏形式能与实验结果相符,且能体现动载作用下岩石动态强度随加载速率的提高而增大的强度特性。     

中低应变率加载下弱胶结软岩动力学特性

我国西部侏罗系煤层上覆巨厚白垩系富水软岩,为了解此类软岩在冲击荷载作用下的力学本构关系及损伤演化规律,利用Hopkinson压杆装置对干燥、饱和红砂软岩进行中低应变率下的冲击试验,结果表明:红砂软岩峰值应力、峰值应变均表现出明显的应变率效应,其中峰值应力与应变率呈指数关系;相同应变率下,干燥红砂软岩的强度大于饱和状态,对冲击荷载表现出更强的抵抗能力,但饱和红砂软岩的宏观破坏强度大于干燥状态;低应变率加载下,干燥红砂软岩出现负损伤;结合微观机理分析,低应变率下,水对红砂软岩的弱化作用占据主导地位,随着应变率的增大,在惯性效应和水的Stefan效应共同作用下,饱和红砂软岩的动态强度得到强化;基于Z-W-T模型和应变等效原理,建立了服从Weibull分布的损伤本构方程,经验证能很好的反映红砂软岩的动态本构关系,具有一定的工程实际意义。     

应变率突增对混凝土动态拉伸破坏影响的细观模拟

实际工程中混凝土结构往往遭遇多次动态荷载作用或在承受一定初始损伤荷载基础上再承受不同应变率的动态荷载。建立了哑铃型混凝土三维细观数值模型,模拟不同名义应变率单独作用下混凝土材料的单轴动态拉伸破坏行为,又分别对混凝土单轴拉伸应力应变曲线上升段和软化段的应变率突增行为开展了细观模拟,初步分析了应变率突增行为对动态拉伸破坏强度特性及宏观应力应变曲线的影响。研究结果表明:在低应变率下混凝土拉伸应变率硬化效应相对较弱,而在高应变率下应变率硬化效应显著增强;在加载上升段应变率突增后加载获得的动态拉伸强度和峰值应变均得到了明显提高;在软化段应变率突增时,混凝土试件的“软化行为”转变为“硬化行为”,宏观应力-应变曲线会出现二次峰值;以初始应变率与突变应变率组合加载得到的动态拉伸强度均低于以突变应变率单独加载得到的拉伸强度,并且强度下降的百分比均随着应变率的增大而增大。     

真空橡胶的动静态力学性能及本构关系的研究

针对真空橡胶的特性展开了MTS实验和SHPB实验,通过实验获得了材料的基本力学参数和应力-应变曲线,并对材料的变形行为、应变率相关效应和破坏特性作了必要的分析,在此基础上给出了材料的本构关系。结果表明,真空橡胶材料在准静态加载下,应力3MPa时,应变率效应不明显;在冲击载荷作用下,随着加载应变率的提高,应变率效应比较明显。     

透水沥青混凝土单轴冲击压缩特性研究

为研究透水沥青混凝土的动态力学特性,采用74 mm钢质分离式霍普金森压杆装置对不掺纤维和掺0.3%聚酯纤维的透水沥青混凝土进行了不同应变率的单轴冲击压缩试验。研究表明,透水沥青混凝土具有明显的应变率效应,试件压缩率随着应变率的增大而提高,掺聚酯纤维透水沥青混凝土的压缩率是不掺纤维的1.2倍左右;透水沥青混凝土的动态应力-应变曲线可分为弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段。从试件的破坏形态可以看出,集料的断裂是透水沥青混凝土破坏的主要原因。在透水沥青混凝土中掺加聚酯纤维能够延缓裂缝的出现和开展,提高材料的冲击抗压强度,增幅最大为45.1%。     

Effect of strain rate on the dynamic compressive mechanical behaviors of rock material subjected to high temperatures

Strain rate is not only an important measure to characterize the deformation property, but also an important parameter to analyze the dynamic mechanical properties of rock materials. In this paper, by using the SHPB test system improved with high temperature device, the dynamic compressive tests of sandstone at seven temperatures in the range of room temperature to 1000 °C and five impact velocities in the range of 11.0–15.0 m/s were conducted. Investigations were carried out on the influences of strain rate on dynamic compressive mechanical behaviors of sandstone. The results of the study indicate that the enhancement effects of strain rates on dynamic compressive strength, peak strain, energy absorption ratio of sandstone under high temperatures still exist. However, the increase ratios of dynamic compressive strength, peak strain, and energy absorption ratio of rock under high temperature compared to room temperature have no obvious strain rate effects. The temperatures at which the strain rates affect dynamic compressive strength and peak strain most, are 800, and 1000 °C, respectively. The temperatures at which the strain rates affect dynamic compressive strength and peak strain weakest, are 1000 °C, and room temperature, respectively. At 200 and 800 °C, the strain rate effect on energy absorption ratio are most significant, while at 1000 °C, it is weakest. There are no obvious strain rate effects on elastic modulus and increase ratio of elastic modulus under high temperatures. According to test results, the relationship formula of strain rate with high temperature and impact load was derived by internalizing fitting parameters. Compared with the strain rate effect at room temperature condition, essential differences have occurred in the strain rate effect of rock material under the influence of high temperature.     

灰岩和白云岩动态压缩力学性能的SHPB实验

为了得到爆破荷载作用下岩石的破坏特性及爆破振动波的传播特性,利用RMT-150C多功能实验机和改进后的ф50mm的分离式Hopkinson压杆装置,分别研究灰岩和白云岩试件的静态力学特性和在5种不同应变率等级下的动态力学性能。实验结果表明,随着平均应变率的增加,灰岩和白云岩试件的动态抗压强度、峰值应变、吸收能、比能量吸收值以及破碎程度都明显增加,表现出显著的应变率效应,而初始弹性模量对应变率的相关性不敏感。从岩石的动态抗压强度和能量吸收两个方面,对比分析灰岩和白云岩动态力学性能的共性和差异性,更合理地解释了岩石在动态冲击荷载下的破坏本质。     

Effect of strain rate and saturation on uniaxial dynamic compressive behaviours of mortar

The effect of moisture content on the compressive mechanical behaviours of cement mortar under different high strain rates is studied in this paper. The rapid impact testing, i.e. the strain rates of 80, 100, 150, 200 and 250 s^? 1 by Split Hopkinson pressure bar, on number of specimens with special water/cement ratio of 0.50 and saturations as 0%, 25%, 50%, 75% and 100%, respectively, was executed. The dynamic compressive behaviours were analysed in terms of the maximum stresses, elastic modulus, critical strain at maximum stresses and ultimate strains at failure. Results indicated that similarity existed in the shape of strain–stress curves of mortars with different moisture subjected to different strain rates of impact loading, i.e. the upward section presented bilinear characteristics, while the descending stage was almost linear. As strain rate increases, the dynamic compressive strength, elastic modulus and critical strain at maximum stress increase which can be ascribed to the dynamic fracture effect and the microscope inertia effect. Besides, it was shown that desiccation provokes an increase in mortar strength and deformation behaviour of the studied mortar with different saturation caused by capillary depression and microcracking. Drying effect has to be considered in modelling of the coupling between desiccation and mechanical behaviour of the mortar. Finally, the multi-parametric statistical analysis of water content and strain rate on the mechanical behaviours of cement mortar subjected to dynamic loading is detailed.     

拉伸试验的速率探讨

采用夹头分离速率控制方式对：行屈服现象和无屈服现象的试样进行拉伸试验,探讨了试验过程中试样应变速率和应力速率的变化情况。试验结果表明：在不同的变形阶段试样的应变速率是不同的,弹性阶段的应变速率比设定值低很多,屈服阶段会略高,塑性变形阶段与设定值较接近。并确定在该试验条件下可将试验速率设定在1～7mm／min。     

Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V合金热变形激活动态再结晶的临界条件识别及表征

热压缩实验获得Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V合金在温度1073～1323K,应变速率0.01～10s-1条件下的真应力-应变曲线,以此作为识别及表征动态再结晶临界条件的底层数据。对比分析流变应力曲线发现高温、低应变速率下动态回复型软化态势显著;低温、高应变速率下动态再结晶型软化态势显著。引入材料加工硬化率θ,结合θ-σ曲线拐点判据识别了流变应力曲线隐含表征激活动态再结晶的特征参量:临界应变、临界应力。采用含动态再结晶激活能Q的Arrhenius方程求得α、β、n1、n2等材料常数并获得该合金动态再结晶激活能对应变速率及温度的响应图。进一步引入表征动态再结晶临界条件的临界应变模型,获得了临界应变与各热力参数之间的数学关系,验证表明该临界模型预测精度最大为12.9%。     

循环荷载下大孔隙红砂岩的动力响应及损伤研究

为探究循环荷载下不同孔隙率红砂岩的动力特性和损伤规律,采用SHPB冲击实验系统,选取了2组不同孔隙率的红砂岩进行循环冲击实验,分析大孔隙率红砂岩的动力波形,本构曲线及损伤度,得到不同孔隙率红砂岩的变形模量、峰值应力、峰值应变及损伤度的变化规律。结果表明:不同孔隙率的红砂岩试件在循环荷载下的应力时程基本一致,随着循环次数的增加,岩石经历了孔隙闭合-裂隙开展-应力硬化-应变软化直至破坏的阶段,其变形模量和峰值应变呈现出先减小,再增大,再减小的趋势,峰值应力与速度呈正相关的关系。随着循环次数的递增,孔隙率大的岩石的峰值应力下降趋势大于孔隙率小的岩石,并且损伤累积使岩石在冲击破坏前表现出了较明显的塑性特征,不同孔隙率红砂岩的损伤度变化趋势基本是先增大后减小,孔隙率大的岩石累计损伤度大于孔隙率小的岩石,其损伤裂纹基本都是从透射杆端部开始,随着裂纹的产生扩展直至破坏。     

低速冲击下RC梁的动态响应和破坏机理研究

考虑材料非线性和应变率相关性等因素的影响,运用LS_DYNA非线性有限元软件对RC梁横向低速冲击试验进行了数值模拟,从动态损伤扩展、冲击能量转化等方面研究了RC梁的冲击响应过程和破坏机理。结果表明:RC梁的冲击响应过程可分为局部响应、整体响应和回弹变形三个阶段;RC梁的损伤主要发生在局部响应阶段,梁体变形主要发生在整体响应阶段;局部响应阶段的冲击力完全由梁体惯性力平衡,整体响应阶段的变形模式和截面弯矩分布与刚塑性模型基本相同;受拉钢筋变形耗能是RC梁最主要的冲击耗能机制。     

循环荷载下大孔隙红砂岩的动力响应及损伤研究

为探究循环荷载下不同孔隙率红砂岩的动力特性和损伤规律,采用SHPB冲击实验系统,选取了2组不同孔隙率的红砂岩进行循环冲击实验,分析大孔隙率红砂岩的动力波形,本构曲线及损伤度,得到不同孔隙率红砂岩的变形模量、峰值应力、峰值应变及损伤度的变化规律。结果表明:不同孔隙率的红砂岩试件在循环荷载下的应力时程基本一致,随着循环次数的增加,岩石经历了孔隙闭合-裂隙开展-应力硬化-应变软化直至破坏的阶段,其变形模量和峰值应变呈现出先减小,再增大,再减小的趋势,峰值应力与速度呈正相关的关系。随着循环次数的递增,孔隙率大的岩石的峰值应力下降趋势大于孔隙率小的岩石,并且损伤累积使岩石在冲击破坏前表现出了较明显的塑性特征,不同孔隙率红砂岩的损伤度变化趋势基本是先增大后减小,孔隙率大的岩石累计损伤度大于孔隙率小的岩石,其损伤裂纹基本都是从透射杆端部开始,随着裂纹的产生扩展直至破坏。