冲击载荷下孔隙塌缩过程的数值模拟

爆炸压实过程中多孔体的孔隙闭合程度对压实效果起着决定性作用。利用LS-DYNA有限元程序，对无氧铜中的圆形孔隙塌缩过程进行了数值模拟。根据模拟结果分析得出，在6 GPa的冲击压力下，孔隙闭合时不同边界区域会发生爆炸焊接和射流侵彻，这2种结合机理可以使材料结合更牢固，提高材料的致密度和机械强度，实现高质量的爆炸压实。     

基于介观结构的饱和与非饱和多孔介质有效应力

基于描述含液颗粒材料介观结构的Voronoi胞元模型和离散颗粒集合体与多孔连续体间的介-宏观均匀化过程,定义饱和与非饱和多孔介质有效应力.导出了计及孔隙液压引起之颗粒体积变形的饱和多孔介质广义有效应力.用以定义广义有效应力的Biot系数不仅依赖于颗粒材料的多孔连续体固体骨架及单个固体颗粒的体积模量(材料参数),同时与固体骨架当前平均广义有效应力及单个固体颗粒的体积应变(状态量)有关.提出了描述非饱和多孔介质中非混和固体颗粒、孔隙液体和气体等三相相互作用的具介观结构的Voronoi胞元模型.具体考虑在低饱和度下双联(binary bond)模式的摆动(pendular)液桥系统介观结构.导出了基于介观水力-力学模型的非饱和多孔介质的各向异性有效应力张量与有效压力张量.考虑非饱和多孔介质Voronoi胞元模型介观结构的各向同性情况,得到了与非饱和多孔连续体理论中唯象地假定的标量有效压力相同的有效压力形式.但本文定义的与确定非饱和多孔介质有效应力和有效压力相关联的Bishop参数由基于三相介观水力-力学模型,作为饱和度、孔隙度和介观结构参数的函数导出,而非唯象假定.     

液饱和多孔介质中三维应力波的传播

为了深入研究液饱和多孔介质中应力波的传播，提出了三维两相细观计算模型．基于此模型。应用Galerkin余量法并计及流-固耦合界面的耦合效应，利用直接耦合的技术，开发了三维流-固混合显式动力有限元计算程序．在此基础上对冲击载荷作用下液饱和多孔介质中三维应力波的传播现象进行了数值模拟，并详细讨论了孔隙率，孔隙形状等因素对应力波传播主导波形的影响．     

多孔材料吸能行为对相对密度和冲击速度的依赖性

多孔材料是一种优异的吸能缓冲材料，但由于其变形模式的非单一性以及动态应力应变曲线的难获取性，其吸能行为对相对密度和冲击速度的依赖性关系还并不完全明朗。本文基于不需要提前作本构假定的波传播法，开展了多孔材料的吸能行为研究。采用多孔材料的细观有限元模型进行Taylor冲击虚拟实验，获取全场质点速度时程曲线，结合Lagrange分析法得到多孔材料的局部应力应变信息，进而探讨了动态吸能性能对材料相对密度和冲击速度的依赖性。研究结果表明多孔材料的吸能行为可依据变形模式分为三个阶段。在冲击模式下，多孔材料单位体积吸能与相对密度成线性增加关系，此时惯性起主导作用；在过渡模式下，惯性的主导作用减弱，单位体积吸能量的增加速率随相对密度的增加而减弱；在准静态模式下，多孔材料只能发生微小的变形，其吸能很少。本文进一步获得了区别于多孔材料准静态应力-应变曲线的动态应力-应变状态曲线，并考察了其与相对密度之间的关系。结果表明：随着相对密度的增加，多孔材料的动态压实应变将变小，而动态塑性平台应力将提高。     

水和气饱和的多孔材料的动态性能

具有足够强度骨架的多孔材料,由于在实际问题中例如土壤力学中常常遇到,所以对它们的研究具有很大的兴趣。研究这些介质的性能,可能对相应的连续材料的性能做出某些结论:求得负压区中连续材料的冷压缩曲线,(见文献[1],该文提出了很好描述强度为几兆巴量级的强激波压缩下多孔材料性能的模型)。但是在这个模型范围内没有描述强度为千巴量级的激波压缩多孔材料的结果。此外,希望得到用于描写其他过程,例如卸载波过程的多孔介质的状态方程。文献[2]提出了P-α模型,在这个模型中,状态方程被写成两个方程的方程组形式,其中一个方程具有一般状态方程的形式,但是包含孔隙率α这个参量;第二个方程则给出压力和孔隙率之间的关系。此关系在文献[2]中是根据经验选取的。考虑到流体流出孔隙过程的动力学,[3,4]导出了理论上孔隙率与压力依赖关系的计算。在这些文献中,在研究多孔材料时忽略了孔隙内部存在着气体或液体,可是在考虑卸载时,孔隙内部压力却可能起很重要的作用,并且在激波通过以后会引起孔隙的有效的膨胀。本文考虑了孔隙内部压力对孔隙率变化过程的影响。     

正交各向异性含液饱和多孔介质中应力波的传播

基于Biot的孔隙介质理论，研究了正交各向异性含液饱和多孔介质中应力波的传播特性．本文引入动态渗透率，导出了整个实频域内应力波传播的复特征方程及其解析解，给出了各种应力波成分的波速和衰减的解析表达武，计算了频散曲线和衰减曲线，并讨论了各类应力波之间的耦合关系及介质的各向异性对应力波传播的影响．     

多孔材料冲击特性的数值研究

使用物质点方法对多孔材料的冲击响应过程进行模拟研究.重点考察了孔隙度、冲击波强度和空隙平均大小对波后物质状态参量的影响,计算了局域旋度和散度随时间的演化及其涨落.研究表明,在孔隙度较低时,波后系统可以达到一个近似动力学平稳态,下游区域的空隙反射回的稀疏波使得物理量随时间轻微振荡.在孔隙度较大时,波后物质不易被压实,冲击波的衰减明显.在孔隙度一定的前提下,更大的平均空隙导致波后系统温度的进一步提高.冲击波的衰减速率依赖于孔隙度、平均空隙大小和冲击波强度.局部湍流和体积耗散是非均匀材料中机械能转化为热能的重要机制;加载的冲击波越强,材料的多孔特征越显著.压强、密度、温度、粒子速度趋于或远离平衡的节奏并不同步.     

柔性硅泡沫薄片的短时松弛行为研究

根据多孔硅泡沫材料的单轴压缩和应力松弛实验,利用最小二乘法的LM法拟合得到硅泡沫材料的本构关系.基于上述模型开展了组合结构中多孔泡沫薄片应力松弛行为的数值模拟,得到了短时松弛过程中硅泡沫结构件的应力变化规律.     

受移动简谐力作用的多孔弹性半平面问题

研究了匀速移动的振动荷载作用下半无限多孔饱和固体中产生的应力和孔隙水压力．应用Fourier变换求解该问题的控制偏微分方程,考虑了荷载的移动速度及振动频率对多孔饱和固体中应力与孔隙水压力的影响,并与相应的弹性介质的解答进行了比较．结果显示多孔饱和半平面中应力和孔隙水压力随荷载的移动速度与振动频率的增加而增大,多孔饱和固体在移动荷载下的动力响应与相应的单相弹性固体的动力响应有较大的差别。     

水饱和岩石中爆炸应力波传播的数值模拟

基于连续介质力学和不相融混合物理论,假定组分间无相对运动,采用B-W-N-B有效应力准则,在屈服面中引入孔隙影响因子,提出了一种多孔含水介质流固耦合的本构模型,并给出了孔隙的演化方程,对水饱和凝灰岩介质中的爆炸应力波传播作了数值模拟。数值计算给出的应力波形与实测结果有良好的一致性。采用本文中所述流固耦合本构模型,可很好地预测水饱和岩石中爆炸波的演化规律。     

Radial expansion of a cylindrical or spherical cavity in an infinite porous medium

A solution describing the displacement and stress fields around expanding spherical and cylindrical cavities with allowance for pore collapse is constructed using the theory of small elastic deformations of a homogeneous isotropic porous medium in closed form. Transition of the medium into a plastic state is modeled using the Tresca-Saint Venant yield condition. Porosity change is described on the basis of a mathematical model developed taking into account the increase in the stiffness of the porous material at the moment of pore collapse. It is shown that in the elastic deformation stage, the porosity does not change; an increase in the pressure leads to the formation of a region of plastic compression, in part of which, the pores collapse. Stress and displacement fields in the porous medium during unloading are constructed. It is shown that under certain conditions, the elastic unloading stage is followed by the plastic reflow stage to form a region of pore expansion. As the pressure decreases, the boundary of this region simultaneously reaches the region of plastic reflow and the region of pore collapse.     

条形荷载下梯度非均匀非饱和土的动力响应分析

基于多孔介质混合物理论, 建立了梯度非均匀非饱和土地基模型, 研究了条形荷载作用下梯度非均匀非饱和土地基的动力响应问题. 通过傅里叶积分变换和Helmholtz矢量分解原理, 获得频域内非饱和土地基动力响应问题的通解, 结合回传射线矩阵法和边界条件, 求解获得了非均匀非饱和土层中位移、应力以及孔隙压力的计算列式. 假设沿深度方向梯度非均匀非饱和土的物理力学性质按幂函数连续变化, 通过数值傅里叶逆变换得到了非均匀非饱和土地基中的应力、位移以及孔隙压力等物理量的数值解, 分析讨论了土体非均匀性对非饱和土介质动力响应的影响规律. 结果表明: 土体非均匀性显著改变了非饱和土中竖向位移、正应力和孔隙压力在其深度方向上的振动模态, 其中孔隙气压在其深度方向的振动频率随着梯度因子的增加而不断增大, 波峰值不断靠近地表处附近; 竖向位移随着梯度因子的增大不断减小; 正应力和孔隙水压随着梯度因子的增大先增大后减小, 并且土体非均匀程度越高, 正应力与孔隙水压的幅值越大.      

水冷却对高温花岗岩的细观损伤及动力学性能影响

为探讨高温花岗岩经水冷却后的细观结构损伤及动态力学性能，对水冷却后高温花岗岩开展波速和核磁共振测试，分离式霍普金森压杆冲击试验，以及冲击破碎试样的扫描电镜观察，分析比较不同状态下花岗岩波速、孔隙度和动力学参数的变化规律。研究发现:随着温度升高，经水冷却处理后高温花岗岩波速非线性下降，大孔径孔隙度分量增大，且水冷却后试样的孔隙孔径尺寸和数量均大于自然冷却；水冷却后高温花岗岩动力学参数呈现出随着温度升高，峰值应力减小，峰值应变增大，弹性模量则先增大后减小的规律；由于水冷却使高温花岗岩表面温度急剧降低，产生额外的温度应力，花岗岩内部损伤加剧，表现出更低的波速与峰值应力；而水的冷淬作用一定程度上提高了表层花岗岩的硬度，降低了高温后花岗岩的塑性能力，与自然冷却相比水冷却后花岗岩的峰值应变减小，弹性模量增大，表现出脆性破坏特征。在温度低于400 ℃时，冷却方式对冲击裂纹影响不大，随着温度升高到800 ℃，自然冷却后花岗岩冲击断面呈蜂窝状，而水冷却后冲击断面则相对平整。     

Transient responses of porous media under moving surface impulses

Three-dimensional transient responses of porous media under moving surface impulses of finite frequency components are theoretically studied. We discuss three free-surface stiffness conditions, such as fully permeable—‘open pore’, fully impermeable—‘closed pore’, and partially permeable boundaries, that are not explicitly discussed before. The transient responses of the solid vertical displacement and the pore fluid pressure triggered by the moving impulses on the surface are particularly investigated in different typical surface stiffness, moving impulse velocities, material permeabilities and impulse peak frequencies. It is concluded that the R1 surface wave carries the strongest energy as that for stationary source configurations. Moreover, it is more sensitive to surface stiffness condition than body waves represented in the responses of the corresponding wave forms of obvious different amplitudes and arrival time. Furthermore, the apparent velocity of the moving impulse pointing toward the fixed receiver may cause ‘blue shift’ in frequency. The higher velocity triggers more obvious frequency shift. For the moving impulse of low peak frequency, this shift becomes much serious. The lateral velocity of the moving impulse to the receiver may also twist the received wave forms, especially for the impulse of low peak frequency.     

Numerical simulation of a fluid-saturated soil under a dynamically loaded pile

The behaviour of the soil under a dynamically loaded pile toe is studied. The soil is modelled as a fluid saturated porous continuum. The constitutive behaviour of the solid skeleton is described by the elasto-plastic model of Drücker-Prager. The wave propagation is simulated with a dynamical finite-element program.A two-phase model of soil gives useful information about effective stress and pore pressure in the soil. In saturated soil the main wave under the pile toe propagates more downards than in dry soil, due to the higher compressional stiffness in saturated soil. The plastic zone under the pile toe propagates with the velocity of the fast compressional wave. The pore fluid influences the plasticity strongly and can be expected to affect pile driving too.The distribution of effective stress and pore pressure under the pile toe depends on the permeability of the soil and cannot be calculated uniquely from a single-phase calculation. Therefore, a nonlinear soil cannot be modelled correctly as a conventional single-phase material.     

DYNAMIC RESPONSE OF SATURATED POROUS ELASTIC FOUNDATION UNDER POROSITY ANISOTROPY$^{\bf 1)}$

由于不同的沉积条件和应力状态, 天然土体通常表现出一定的各向异性特征. 文章研究地基上表面受温度载荷和机械载荷时, 孔隙率各向异性参数变化对饱和多孔弹性地基热-水-力耦合动力响应问题的影响. 基于Lord-Shulman广义热弹性理论, 结合孔隙率各向异性基本假设, 建立了孔隙率各向异性饱和多孔弹性地基热-水-力耦合动力响应模型, 利用正则模态法推导出无量纲竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度分布的解析表达式并加以图示. 正则模态法是一种利用加权残差求得解析解的方法, 相较于其他方法能快速求解偏微分方程. 当孔隙率各向异性参数为1时, 可将该各向异性耦合动力响应模型退化为热-水-力耦合动力响应模型验证该地基模型的合理性. 着重分析了孔隙率各向异性参数变化对不同物理量的影响. 结果表明: 孔隙率各向异性参数变化对物理量均有一定影响. 在地基上表面受温度载荷作用时, 对超孔隙水压力和竖向应力影响最为明显; 在地基上表面受机械载荷作用时, 对超孔隙水压力和温度影响明显. 整体而言, 无论地基上表面受何种载荷, 随着各向异性参数增大, 峰值逐渐减小, 在地基深度增加方向峰值所在位置向靠近地基上表面方向移动.     

孔隙率各向异性下饱和多孔弹性地基动力响应

由于不同的沉积条件和应力状态, 天然土体通常表现出一定的各向异性特征. 文章研究地基上表面受温度载荷和机械载荷时, 孔隙率各向异性参数变化对饱和多孔弹性地基热-水-力耦合动力响应问题的影响. 基于Lord-Shulman广义热弹性理论, 结合孔隙率各向异性基本假设, 建立了孔隙率各向异性饱和多孔弹性地基热-水-力耦合动力响应模型, 利用正则模态法推导出无量纲竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度分布的解析表达式并加以图示. 正则模态法是一种利用加权残差求得解析解的方法, 相较于其他方法能快速求解偏微分方程. 当孔隙率各向异性参数为1时, 可将该各向异性耦合动力响应模型退化为热-水-力耦合动力响应模型验证该地基模型的合理性. 着重分析了孔隙率各向异性参数变化对不同物理量的影响. 结果表明: 孔隙率各向异性参数变化对物理量均有一定影响. 在地基上表面受温度载荷作用时, 对超孔隙水压力和竖向应力影响最为明显; 在地基上表面受机械载荷作用时, 对超孔隙水压力和温度影响明显. 整体而言, 无论地基上表面受何种载荷, 随着各向异性参数增大, 峰值逐渐减小, 在地基深度增加方向峰值所在位置向靠近地基上表面方向移动.      

混凝土中爆炸应力波衰减规律的数值模拟研究

基于Kong-Fang混凝土材料模型和LS-DYNA的多物质ALE算法,开展混凝土中爆炸波衰减规律的数值模拟研究。首先,基于已有实验数据对材料模型参数和数值算法的可靠性进行了验证,在此基础上分析球形装药在混凝土自由场中爆炸波衰减规律,利用量纲分析和数值模拟拟合了球形装药在混凝土自由场中近区爆炸波峰值应力计算公式并明确其适用范围;然后,分析装药埋深对混凝土中装药正下方不同距离处爆炸波峰值应力分布的影响,建立了耦合系数与装药埋深和测点距离之间的定量关系。结果表明:Kong-Fang混凝土材料模型可实现对混凝土中爆炸波传播衰减规律的高精度数值模拟;定义混凝土中装药质量系数和耦合常数,可定量描述装药埋深和测点距离对峰值应力耦合系数的影响;建立的混凝土中近区爆炸波峰值应力计算公式可较准确地快速预测不同装药埋深、不同测点距离和不同混凝土强度时爆炸波峰值应力。研究结果可为混凝土结构抗爆设计和爆炸毁伤评估提供参考。     

混凝土板爆破作用数值分析

混凝土板是爆破拆除经常遇到的爆破对象，是建筑物的基本构件．爆炸应力波峰值随距离衰减是工程爆破参数设计的理论依据之一．通过数值计算，研究爆炸应力波峰值随距离的衰减规律．研究结果表明，与无限混凝土介质相比，爆炸应力波峰值在混凝土板中衰减较快．应力波峰值的衰减指数随装药量增大而减小，衰减指数的变化率也随装药量的增大而减小．