爆炸排淤填石法中淤泥的本构模型

以爆炸排淤填石法为背景 ,对不同应变率阶段淤泥的本构模型进行了分析 ,利用ANSYS/LS-DYNA动态有限元分析程序对所选择的模型进行验证和确认。计算和分析结果表明 :在形成爆炸空腔的高应变率阶段 ,淤泥表现为理想不可压缩流体的性质 ;在小药量小抵抗线条件下 ,甚至在淤泥自重作用下的较低应变率变形阶段 ,其黏性效应也可以忽略不计。     

球形装药淤泥中爆炸场数值模拟及分析

应用二维欧拉有限元程序对球形装药淤泥中爆炸进行了数值模拟。在分析淤泥特性的基础上 ,进行了模型及参数的选取。由计算结果与爆破试验实测数据的对比和分析可知 ,球形装药淤泥中的爆炸场与水中的爆炸场有相似性 ,因此可以应用本文中简化的淤泥介质模型来预测冲击波在淤泥中的衰减。     

球形装药淤泥中爆炸场数值模拟及分析

应用二维欧拉有限元程序对球形装药淤泥中爆炸进行了数值模拟。在分析淤泥特性的基础上 ,进行了模型及参数的选取。由计算结果与爆破试验实测数据的对比和分析可知 ,球形装药淤泥中的爆炸场与水中的爆炸场有相似性 ,因此可以应用本文中简化的淤泥介质模型来预测冲击波在淤泥中的衰减。     

舰船局部板架结构在水下爆炸冲击波下动态响应的相似律研究

首先分析舰船局部板架结构在水下爆炸冲击波作用下的结构吸能机理.在此基础上确定了影响结构最终塑性变形的相关物理量.利用Π定律对该问题进行相似分析.针对是否计及材料应变率强化效应的两种情况,提出了模型和原型的相似条件,并对考虑应变率强化效应时利用模型预报原型最终塑性变形的误差和影响因素进行了分析.结论可以用于指导舰船局部板架在水下爆炸冲击波作用下动态响应的模型试验,进而预报实船结构的最终塑性变形.     

杨木静动态压缩本构模型研究

目的 以杨木为研究对象,研究其静动态压缩载荷作用下应力-应变曲线的变化特征,建立适合的本构模型,并对其进行描述。方法 对杨木试件进行静动态压缩加载试验,分析静动态压缩载荷作用下杨木应力-应变曲线的变化特征,构建适用于静动态压缩载荷作用下杨木的本构模型。结果 静态压缩加载杨木的应力-应变曲线分为线弹性阶段、屈服阶段和密实化阶段等3个部分,动态压缩加载杨木的应力-应变曲线分为线弹性阶段和屈服阶段等2个部分;静态压缩加载时,杨木轴向屈服应力最大,分别是径向和弦向的5.70倍和7.75倍;动态压缩加载时,当应变率从400 s-1增加到1000 s-1时,径向、弦向和轴向的屈服应力分别增加了1.51,1.59,3.12倍,杨木的屈服应力具有应变率敏感性;采用包含应变率影响的本构方程来描述杨木在静动态压缩载荷作用下的本构关系是比较合适的。结论 杨木是一种应变率敏感材料,静动态压缩载荷作用下杨木的应力-应变曲线均表现出多孔材料的特征,将多孔材料本构模型应用于木材是可行的。     

应变速率型RC梁柱显式分析单元及其在ABAQUS软件中的实现

为准确、高效地分析钢筋混凝土(RC)梁柱结构在强动载作用下的损伤破坏甚至倒塌,建立了能够描述大变形、大应变的空间纤维Timoshenko梁单元,并将其与考虑率相关效应的钢筋、混凝土材料模型相结合,通过用户显式单元子程序在ABAQUS中实现。基于所建立的应变速率型3D纤维梁显式单元,借助ABAQUS的前后处理及求解功能,对爆炸荷载作用下的RC梁柱构件的动态响应和破坏模式及RC框架结构的连续性倒塌进行分析。结果表明:建立的应变速率型3D纤维梁柱单元能够合理描述RC构件的变形特性及钢筋、混凝土的应变速率效应;可以模拟爆炸作用下RC构件的弯曲、弯剪及直剪破坏模式,以及RC框架的连续倒塌过程;将纤维梁柱单元与率相关模型相结合于ABAQUS软件提供了一种强动载作用下高效、精确的RC结构非线性分析方法。     

SPRC340S金属在不同应变率下的本构模型评估

目的 为了确保高速变形下有限元分析的可靠性,选用合适的本构模型去描述材料在不同应变率下的力学特性。方法 针对SPRC340S钢在不同应变率下的硬化行为,评估了6个常用应变率强化模型的准确性,评估的应变率强化模型包括Johnson-Cook模型、Modified Khan-Huang模型、Modified Johnson-Cook模型、Lim-Huh模型和Zerilli-Armstrong模型。通过较大应变率范围内的试验数据对所研究的模型参数进行标定,采用标定后的模型预测了不同应变率下的硬化曲线。结果 发现误差最大的模型为ZA(FCC)模型,预测误差达到1.1682;预测精度最高的模型为Lim-Huh模型,误差只有0.0024。结论 结合模型的结构特征与结果对比讨论,发现Lim-Huh模型最适用于表征SPRC340S金属材料的应变率硬化特性。     

船体梁在近距爆炸冲击波作用下动态响应的相似律研究

以船体梁在爆炸冲击波作用下发生整体塑性运动响应的理论方法为基础,首先确定了影响梁整体结构最终塑性变形的相关物理量,利用定律对该问题进行相似性分析,给出相似参数和准确相似条件。研究了考虑结构应变率强化效应造成的相似畸变问题,分析了模型缩比尺度、模型应变率大小以及不同结构材料对相似误差的影响。研究发现:随着缩比尺度的减小,或结构应变率响应值的增大,预报误差将增大;所用结构材料的应变率敏感度越高,模型预报原型的误差越大。结论可用于指导船体梁在水下爆炸冲击波作用下动态响应的模型试验设计。     

聚脲材料动态压缩力学行为的数值模拟研究

以聚脲材料动态压缩力学特性为研究对象,提出了考虑动态弹性模量、动态强度因子和动态切线模量的简化三直线弹塑性本构模型;基于ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,建立了低、中、高不同应变率下聚脲材料压缩有限元模型,并与实验结果进行对比分析。结果表明：动态弹性模量增大因子、动态强度因子和动态切线模量因子随应变率增加而有规律的增大,均和应变率的对数呈双线性关系。在中低应变率下,三者的线性关系斜率都比较平缓;在高应变率下,三者的线性关系斜率都比较陡,且弹性模量动态增大因子的斜率比动态强度因子的更大,而第二阶段动态切线模量因子的斜率与动态强度因子的基本一致,但第三阶段动态切线模量因子的斜率是动态强度因子的2.3倍左右,说明高应变率下聚脲材料的后期应力强化效应更加显著。聚脲材料的简化三直线弹塑性本构模型可以在ANSYS/LS-DYNA有限元软件中较好地实现。该文建立的有限元模型能较为准确地模拟聚脲材料压缩实验,进一步验证了简化弹塑性本构模型在不同应变率压缩加载下的有效性。该研究可以为聚脲涂覆加固防护结构有限元模型提供材料模型参数依据。     

高应变率下岩石本构特性的研究

高应变率下岩石的动态本构关系和力学特性,目前主要是利用SHPB装置等来获得．基于统计学和损伤力学的观点,建立岩石在高应变率下的动态本构模型是进一步研究爆破机理、爆炸应力波传播、爆破参数优化的基础。理论和实验证明,本文推荐的4种动态本构模型与试验结果有较好的一致性,对进一步研究岩石的动态力学性质奠定了基础．     

爆破动应力对岩质边坡损伤破坏作用机理

分析了爆破动应力在岩质边坡中的分布规律,推导出了爆破动应力与质点振速及岩体物理力学参数间关系的计算表达式。分析讨论了由爆破产生的附加动应力与岩质边坡中的应力场及岩体介质中的裂纹损伤场相互耦合作用机理,并推导出了裂纹初裂强度表达式。从断裂力学及损伤力学的理论出发,建立了节理裂隙岩体的等效柔度张量以及在爆破动应力作用下裂隙岩体的附加柔度张量。从所建立的柔度张量关系式中可知,当有爆破动应力存在时,增大了岩体的柔度张量,削弱了岩体的强度。     

层状裂隙岩体弹塑性损伤断裂模型与岩质高边坡稳定分析

本文研究了层状裂隙岩体的弹塑性损伤断裂模型。文中按岩体等效柔度张量定义损伤张量,并对层状裂隙岩质高边坡的变形破坏过程建立了损伤演化方程,提出了包含软弱薄层塑性滑移与裂隙损伤扩展耦合性态的本构关系。最后将其应用于某水电站左坝肩高边坡开挖形成过程的稳定性分析中。     

横观各向同性岩石力学-化学-损伤耦合有限元分析

该文基于层理性岩石的水化作用和连续损伤特性,建立力学-化学-损伤耦合的有限元（FEM）求解方法,开展含钻井孔岩石的井壁应力和围岩损伤演化分析。该文发展横观各向同性Biot本构关系,采用Weibull分布函数表征岩石的非均质性;考虑水化作用引起的损伤,结合当前应力状态的应力损伤得到损伤张量,对弹性模量和渗透率进行损伤分析,实现层理性岩石在水化和荷载作用下的连续损伤演化,形成一套渗流-应力-化学-损伤（HMCD）耦合分析方法。该文给出数值算例,将含损伤横观各向同性模型用于研究层理性岩石的水化特性,表明岩石的非均匀性和水化作用对井壁应力解答具有重要影响,该有限元求解方法可对岩石水化、损伤进行可靠、有效的数值分析。     

FRACTURE MECHANICS APPLICATIONS TO DRILLING AND BLASTING

Abstract— This paper gives a brief review of research in rock fracture mechanics as conducted at the Fracture and Photo-Mechanics Laboratory (FPML) at Vienna University of Technology. The mechanisms pertaining to percussion drilling and blasting are investigated, with specific reference to the application of fracture mechanics. In order to gain an improved understanding of the mechanisms controlling rock fragmentation, a multidisciplinary approach is followed which includes laboratory experiments conducted in plexiglass and rock, in-situ field experiments and analytical/numerical modelling techniques.
Field experiments revealed that percussively drilled holes exhibit a very shallow region of damaged rock. An analytical model to simulate damage accumulation and crack initiation due to elastic waves generated by impacting drill bits was developed. This model, based on damage and fracture mechanics, was incorporated into a numerical finite difference code. Fracture and damage mechanics parameters are related to the moment tensor which is determined experimentally by means of acoustic emission. Small scale model blasts were used to investigate the blast-induced fractures in the near-borehole zone as well as in the far field. Analytical and numerical investigations give insight into stress wave and gas driven fracturing. The applicability of the dynamic finite difference program SWIFD to the interaction between stress waves and cracks is illustrated.     

基于DDD离心加载法的黑山铁矿西帮边坡稳定性研究

非连续变形与位移分析方法（DDD）是一种新的岩石破坏全过程分析方法,该方法有效的结合了RFPA有限元方法及非连续变形分析（DDA）方法的优势,解决了有限元不能很好地进行大位移动态分析及DDA不能模拟岩石中新破裂的萌生、扩展过程的问题,真实再现了边坡由细观裂纹的演化直至宏观破坏的全过程。在原有的DDD方法的基础上,结合了传统的离心加载试验机理,形成了全新的DDD离心加载法。该方法不仅保存了DDD方法原有的计算特点,且实现了不用预先假定滑移面而是通过计算得出其滑移失稳面,更加符合工程实际。基于改进的DDD离心加载法,结合黑山铁矿西帮边坡给出的剖面及要进行崩落开采的实际工况,建立了二维的含有采空区的边坡稳定性分析模型。模拟了在有无锚索作用下的含有采空区边坡的滑移机理并进行了对比分析,分别分析了有无锚索作用下的含有采空区边坡由细观裂纹的演化直至宏观破坏的剪应力变化过程、安全系数、竖向及水平位移矢量的变化。结果表明:采空区外凸棱角区是边坡应力集中的关键点,边坡的失稳破坏过程有明显的张拉作用,与实际提供的工况现场取得了较好的一致性。锚索虽将断层以上坡体应力集中形态有效分散提高了边坡的安全系数、使得各向位移矢量的变化明显减小,但黑山西帮边坡仍然存在潜在滑移的可能,仍需后续的继续观测。     

强震荷载下裂缝岩体拉剪破坏机理

崩塌是地震诱发的最严重次生地质灾害之一,但目前有关地震崩塌的力学机理还不清晰。为此,基于天然危岩体的宏观结构特征,从岩石断裂力学的角度入手,对比分析了不同震波模式下裂缝的失稳扩展条件,确立了拉剪破坏的危岩失稳机制;继而以能量法为手段,研究了震波能量在危岩体中的输入和耗散机制,解析拉剪条件下裂缝的扩展方向和危岩失稳机理,给出裂缝扩展的加速度临界值ac和扩展量的计算方法;最后,通过具体算例验证了模型的合理性;结果显示,震时危岩体的失稳是裂缝在拉剪震波作用下沿震波入射垂直方向间断扩展累积的结果。     

非均质围岩压力隧洞混凝土衬砌的初裂间距

非均质围岩中,水工压力隧洞混凝土衬砌间距不等,裂缝位置未知。建议一个能够确定初裂裂缝位置的数值计算方法,并利用现场试验结果验证了其可行性。阐明了典型地质条件对衬砌最大应力位置,即第一条裂缝位置的影响。通过大量计算,分析了混凝土开裂所引起的释放应力的特性,从而得出压力隧洞混凝土衬砌有关初裂间距的某些概念:相同围岩条件下,大直径压力隧洞混凝土衬砌的初裂裂缝条数少于小直径隧洞;洞径相同条件下,非均质围岩中混凝土衬砌的初裂裂缝条数少于均质围岩隧洞;各计算情况下,混凝土的初裂裂缝条数为 1条~4条,裂缝条数较少的主要原因是开裂时,围岩对衬砌的平均切向抗力较小(约为0.05MPa)和应力松弛范围较大,约90°。     

加载条件下裂隙间相互作用对断续裂隙岩体变形的影响

裂隙岩体的稳定性和变形特性主要决定于裂隙,同时裂隙间的相互作用对岩体的稳定和变形产生显著的影响。为此利用位错模型法、叠加原理和伪力的Lengdre 多项式展开研究了加载情况下裂隙间的相互作用问题。利用该方法可以计算弯折裂纹和平行排列的裂纹尖端的应力强度因子和裂纹相互作用对应变的影响。给出了许多复杂的算例,对单一断裂和X 断裂问题,计算结果表明单一断裂比X 型断裂更不稳定;对平行排列的弯折裂纹,应变依赖于裂隙的几何形状、几何和物理参数。含单一断裂岩体的应力应变曲线和裂隙的几何和物理参数有关。     

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。     

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。