经历不同高温后砂岩的动态力学特性实验研究

3D打印技术应用于岩石试样制备有着诸多优势,但也存在着传统3D打印材料无法完美模拟岩石材料、3D打印类岩石试样强度偏低和3D打印类岩石试样后处理技术较少等不足。为了使3D打印技术能更好地应用于岩石试样制备,本研究尝试以某典型砂岩真实矿物组成配置的矿物粉末为打印材料,通过3D打印技术制作出2种不同级配的类岩石试样,并探究渗剂渗透后处理方法对3D打印类岩石试样力学特性的影响。研究结果表明：以矿物粉末为打印材料,按不同颗粒级配下制作出的试样的力学性能有很大差异,以水性氨基树脂对3D打印类岩石试样进行渗透处理能进一步提升试样的单轴抗压强度,树脂渗透试样在抗压强度以及破坏模式上与致密砂岩相似。研究成果为通过3D打印制备岩石试样提供了新思路。

     

30CrMnSiA 钢高温动态力学性质的实验研究

通过附有恒温加热炉的ＳＨＰＢ装置,测量了３０ＣｒＭｎＳｉＡ钢从室温到高温（６００℃）的动态（１．５１０３～４．０１０３ｓ－１）应力应变曲线,并利用一维应力波传播理论和传热学原理,修正了温度梯度场对测量的影响。结果表明,在实验温度２６～６００℃内,３０ＣｒＭｎＳｉＡ钢的温度软化规律可分为低温区和高温区;低温区流动应力随温度变化剧烈,高温区则缓慢。与准静态不同的是,高应变率下的转化温度有明显的提高。     

A95陶瓷材料的动态压缩测试研究

为了得到陶瓷材料有效的实验结果,必须采用多种改进措施(PulseShaper、高强度和高刚度垫块、直接测试试样应变以及使用较大长径比的试样)来满足SHPB装置所要求的基本假设条件。研究以A95陶瓷的测试为例,通过数值模拟分析证明:针对陶瓷材料改进的SHPB装置,可以得到陶瓷材料的有效压缩应力 应变曲线和压缩破坏强度。但是在分析材料的压缩破坏强度时,必须排除劈开破坏的干扰。数值模拟研究发现,压缩测试中出现的劈开破坏是由卸载过程中出现的局部横向(沿直径)拉伸造成的拉伸破坏。在修正了弥散对压缩破坏强度的影响后,研究得到了A95陶瓷的压缩破坏强度为3.5GPa。A95陶瓷的高应变率压缩应力 应变曲线显示了良好的线弹性,并且曲线的斜率与杨氏模量相同。     

高温后玄武岩纤维增强混凝土的动态力学特性

为研究温度、加载速率、纤维掺量对玄武岩纤维增强混凝土(BFRC)动态压缩强度和冲击韧度的影响,利用∅100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对经历不同温度作用后的BFRC进行冲击加载实验。结果表明：高温后BFRC的动压强度及冲击韧度在同一温度下随平均应变率的上升近似线性增大;温度的升高总体上导致BFRC在同一加载速率下的动压强度及冲击韧度减小、应变率敏感性减弱;同一工况下,BFRC的动压强度和冲击韧度较素混凝土普遍提高,且当纤维体积掺量为0.2%时强韧化效果相对最佳。由此可见,高温后BFRC的冲击压缩特性受温度、加载速率、纤维掺量的综合作用影响,掺入玄武岩纤维可以有效降低高温后BFRC的损伤劣化程度。     

104s-1应变率下SHPB系统实验相关问题探讨

利用小直径(3.17mm)的SHPB系统初步获得两种较高强度材料(一种特种钢和一种WMo合金)应变率达到104s-1以上的动态压缩应力 应变曲线。通过对这次实验过程及结果的观察和分析,对高应变率实验存在的几个问题进行了探讨。     

混凝土高温动态压缩力学性能实验

利用一种新的快速加热混凝土的方法和SHPB实验系统对自制混凝土进行了不同温度下的动态压缩初步实验,发现了混凝土在高温下的动态压缩力学性能的规律性:在高温动态压缩条件下,温度变化是影响混凝土力学性能的主要因素,应变率的影响是次要因素。另外,该混凝土高温动态压缩破坏可以分为2种模式(裂纹模式和破碎模式)     

基于SHPB实验的砂岩动态破坏过程及应变-损伤演化规律研究

为研究砂岩型铀矿爆破增渗地浸开采过程中赋矿岩层的破坏特征及损伤演化规律, 利用带有应变控制环的SHPB实验系统,对砂岩试样进行控制应变条件下的动态冲击实验,并结合波速测试实验和CT扫描实验,分析研究了砂岩试样的整体破坏过程、裂纹分布及应变-损伤演化规律。实验结果表明:在冲击荷载作用下,当应变值超过0.008 3时,砂岩试样会突然出现明显的整体破坏,整体破坏形式近似双锥形,其破坏模式为剪切-张拉混合破坏;随着应变的增加,裂纹的产生及扩展大致分为无裂纹阶段（0～0.003 3）、微裂纹起裂阶段（0.003 3～0.008 3）、裂纹贯通阶段（0.008 3～0.009 9）3个阶段,且裂纹分布区域主要集中在试样中间外围。分别从宏观、细观两方面建立了应变-损伤之间的定量关系式,损伤变量随应变的增长趋势大致分为两个阶段:平缓发展区（0～0.008 3）和迅速增长区（0.008 3～0.011 5）,损伤变量随应变增加并非简单的线性增加,而是应变值超过应变损伤阈值之后损伤程度急剧增加,应变损伤阈值为0.008 3。     

不同冷却方式下高温混凝土的动态力学特性

为了研究高温混凝土在不同冷却方式下的动态力学特性,通过?74 mm大口径分离式霍普金森压杆对不同冷却方式处理下不同温度的C30圆柱形混凝土试样进行了动态力学性能试验,得到了其在热、水、力联合作用下的力学特性,探究了冷却方式、温度和加载条件对平均应变率的影响,重点分析了高温混凝土在不同方式冷却后的动态应力-应变曲线,以及冷却方式、温度和加载速率对其破碎形态、动态抗压强度、弹性模量、峰值应变及一系列动态效应的影响。结果表明：水冷混凝土试样的平均应变率受温度的影响更明显,不同冷却方式下加载速度与平均应变率近似呈线性关系;当温度达到400℃及以上时,试样颜色发生明显改变,相同温度下,水冷试样比自然冷却试样的颜色更深,出现更多细微裂纹,骨料形态破坏更严重;不同冷却方式下混凝土的动态抗压强度均与加载速度成正比,与加热温度成反比;水冷混凝土试样的弹性模量损伤系数低于自然冷却试样;高温混凝土试样的峰值应变与加热温度成正比,与加载速度成反比,且水冷混凝土试样的峰值应变相对值要高于自然冷却试样;混凝土的动载荷增加因子与温度及加载速度均成正比,且温度越高,混凝土的应变率效应越明显;当温度在200℃时,混凝土耗能系数出现反弹现象。     

用HJC本构模型模拟混凝土SHPB实验

运用Holmquist-Johnson-Cook (HJC) 本构模型对混凝土的SHPB实验进行了数值模拟。解决了罚函数算法中罚因子合理数值的选取问题。利用模拟结果按SHPB两波法重构了试样的应力应变曲线。分析了混凝土材料的SHPB实验得到应力应变曲线的有效段范围和各段的力学规律。通过比较实际混凝土材料SHPB实验和数值模拟得到的应力应变曲线,发现两者体现的力学行为很相似,即HJC模型是描述该类材料的一种合理本构模型。模拟了试样不同平行度公差下的SHPB实验,发现在一定应变率范围内其影响程度远大于试样应力(应变)不均匀性。     

干燥和饱和混凝土动态力学特性及其机理

采用分离式Hopkinson杆装置,对混凝土进行干燥和饱和状态下的SHPB实验,并与准静态实验进行对比。结果表明：干燥和饱和混凝土均具有明显的应变率效应,中等应变率条件下的应力应变曲线上升段比准静态的曲线陡;饱和混凝土动态强度提高的幅度接近干燥混凝土的2倍,具有更强的应变率敏感性;存在一个应变率临界值,仅当应变率大于临界值时,饱和混凝土的动态强度才大于干燥混凝土的的动态强度;基于实验结果,给出了不同饱和度混凝土强度与应变率的关系。

     

45钢薄壁圆柱管的冲击膨胀断裂机理研究

采用改进型霍普金森压杆实验技术,对不同膨胀断裂状态的45号钢薄壁金属圆柱管进行了冻结回收,直接观测了薄壁金属圆柱管动态膨胀断裂过程中的裂纹萌生、扩展情况以及最终断裂模式等断裂演化特征。对冻结回收样品进行的金相显微分析完整观察到了裂纹萌生、扩展直至断裂的整个膨胀断裂过程,并得出以下结论：薄壁金属圆柱管在中应变率的膨胀断裂过程中,拉伸和剪切断裂机制起主导作用。裂纹萌生于外壁面,并由外向内扩展,断裂模式随加载应变率的提高逐渐由拉剪混合向纯剪切过渡。与爆轰加载的高应变率薄壁金属圆柱管断裂过程不同的是,随加载载荷的增加,薄壁金属圆柱管的断裂逐渐由拉伸断裂向剪切断裂过渡,而非绝热剪切断裂,这种差异的产生原因尚待研究。     

软岩的动态力学本构模型

利用分离式霍布金森压杆实验系统(SHPB)对2种典型的软岩砂质、泥岩进行动态力学性能测试,测试的应力应变曲线表现出显著的应变硬化和塑性流动等复杂的动态力学特性。基于实验结果,在朱-王-唐模型的基础上,并且考虑软岩本身结构缺陷的影响,建立了一种适应软岩材料的黏弹性统计损伤模型。该模型由2个Maxwell体和1个损伤体并联组成,2个Maxwell体用来描述对软岩高分子材料的高低应变率响应以及软岩材料在动载作用下的塑性变形特性,考虑软岩材料本身缺陷的影响,用一个损伤体代替朱-王-唐模型中的非弹性弹簧。利用黏弹性统计损伤模型对不同应变率下软岩材料的动态应力应变曲线进行拟合,拟合曲线与测试曲线一致性良好。     

针对瞬态位移干涉仪的非线性回归数据分析方法

针对最近发展起来的剖面测量技术瞬态位移干涉仪,提出了一种连续的、基于对原始测量信号进行完整重现的非线性回归数据分析方法,给出了具体的处理过程。与常规的基于离散处理思想的峰值搜寻法相比,该方法充分利用了原始测量数据信息,可获得更高的剖面精度,并对剖面细节具有更强的分辨能力,当处理材料的低压弹塑性响应时,优势更明显。以Sn和45钢在低压冲击加载下的自由面粒子速度剖面测量为例,对该方法的特点进行了具体分析。     

散体系统冲击破碎的动力学分析

针对球形粒子组成的散体系统,基于离散单元法,将球形粒子离散成弹簧-球单元系统,给出了离散单元的运动方程,建立了离散单元之间的弹性力和接触力的计算模型,并用Mohr -Coulomb型破坏准则判断粒子的破碎。运用上述方法,对圆筒内由脆性材料组成的散体系统在冲击载荷下的挤压破碎过程进行了数值模拟;计算过程中,跟踪散体系统中每个粒子在不同时刻的破碎情况;分析了散体系统冲击破碎过程数值模拟结果的主要影响因素。结果显示：数值模拟过程中需综合考虑计算精度和计算时间之间的平衡;相同的计算条件下,颗粒的初始堆积方式不同,计算得到的散体系统的破碎程度不同。

     

含水率对非饱和黏土动态压缩特性的影响

为探讨含水率对非饱和黏土动态压缩特性的影响规律,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置,针对不同含水率非饱和黏土试样开展了侧限条件下的动态压缩实验。实验结果表明,在径向变形受到约束时,当黏土中含有少量水时,比干黏土更容易压缩;而当含水率进一步增加时,试样在受压过程中逐渐接近饱和状态,黏土的抗压性能则明显提升。从能量吸收与分配角度来看,随着含水率的增加,试样所吸收的总能量在逐渐下降,体积改变能所占的比例逐渐增大,而形状改变能所占比例则逐渐减小。     

花岗岩在SHPB冲击破坏实验中最低加载应变率的杆径效应

基于Steverding-Lehnigk脆性断裂准则,分析了半正弦应力波加载条件下SHPB杆径尺寸与导致花岗岩试样单次冲击破坏对应的最低应变率之间的关系。采用杆径分别为22、36、50和75 mm的SHPB实验系统对相应尺寸规格的花岗岩试样进行了应变率从高到低的冲击实验,讨论了花岗岩试样在单次冲击破坏情形下对应的最低应变率与实验杆径的相关性。理论和实验结果表明：岩石试样的最低加载应变率随着SHPB杆径的增大而以乘方关系减小,但当应变率低到10⁰ s^-1量级时,Hopkinson杆径已超过100 mm,增大Hopkinson杆径降低加载应变率的效果不再明显。     

水下爆炸冲击作用下重力坝的损伤发展及破坏模式

基于有限元程序ABAQUS/Explicit,采用声学介质描述流体,考虑坝体-水流固耦合作用和混凝土的受拉、受压损伤,对某典型的重力坝坝段结构进行损伤塑性时程分析。结果表明,大坝存在3种潜在破坏模式,除近爆炸点区域破坏外,坝底损伤区过大可能引起坝体向下游滑动甚至倾倒,坝头局部破坏或断裂而倒向下游可能造成大坝挡水高度不足,出现漫顶。对于坝体与坝基连接部位以及坝头部分,可以考虑局部增加配筋(插筋),防止灾难性后果的出现。大坝高度方向中部应该成为安防重点,控制爆源距离是有效的手段。     

921A 钢纯剪切帽状试件绝热剪切变形的数值模拟

结合相关实验,通过一系列基于921A 钢纯剪切帽状试件的SHPB数值模拟,研究试件的绝热剪切行为,分析试件内绝热剪切带(ASB)的产生、发展以及相应的试件温度场分布。研究发现:ASB是通过剪切区两端高温高应变的不稳定区域的扩展而形成;ASB的扩展速率与加载速率相关;在本文加载速率范围内,ASB带宽无明显变化,均为约70m,基本与所设计的试件剪切区宽度一致;且对应所有加载速率,ASB均为形变带。     

LY12铝小尺寸试样的SHPB实验探讨

材料在高应变率下的力学行为是工程中关心的问题.在SHPB实验中通过减小试样尺寸可以提高应变率,但这有可能引入二维效应从而影响实验精度.本文结合数值模拟和系列尺寸LY12铝合金试样的SHPB试验对小尺寸(相对于压杆直径,下同)试样SHPB实验的准确性进行了分析和探讨.结果表明在试样长径比%l/d%≥0.5且端面摩擦效应很小时,小尺寸试样SHPB实验是可行的,并采用小尺寸试样获得了LY12铝104s-1高应变率的实验数据.此外,本文还对小尺寸试样试验中可能存在的偏心压缩问题进行了研究,研究结果偏心压缩带来的弯曲效应通过对称位置上的信号平均可以很好地消除.     

Kevlar/环氧树脂层合材料的动静态力学性能及本构关系

利用MTS和SHPB装置开展了Kevlar / 环氧树脂层合材料动静态力学性能实验研究,详细讨论了应变率和纤维铺设方式的不同所引起的材料力学行为的差异。根据实验结果提出了一种经验型本构模型,该模型不仅考虑了材料的应变率硬化、损伤软化效应,还通过增强系数的引入描述了纤维铺设方式对材料力学性能的影响。