冲击载荷作用下韧－脆复合板结构中脆性材料破碎的实验和数值模拟

本文以冲击实验和有限元分析研究了韧－脆复合材料结构中脆性材料的破碎问题。材料的破碎图具有一定的分形特征，其分形维数随冲击载荷的增大而增加。基于实验结果的非线性动力有限元分析对这类破碎图样的演化给出了动态过程模拟     

基于分形统计强度理论的煤颗粒冲击破碎概率研究

基于分形统计强度理论对煤颗粒的冲击破碎概率进行研究。以Hertz接触假设为基础,得到煤颗粒冲击破碎概率与最大接触压应力之间的函数关系,并结合碰撞动力学理论,建立了冲击破碎概率的分形模型。对不同矿区工作面的煤颗粒进行冲击破碎试验,统计分析表明：分形模型可以对煤颗粒的冲击破碎概率进行很好的描述,冲击破碎概率与冲击速度在对数坐标中为线性关系。通过试验确定分形模型的分形维数和破碎常数,可以得到不同冲击速度下煤颗粒的冲击破碎概率以及煤颗粒全部破碎需要的冲击速度,为冲击破碎效果评价以及冲击速度的确定提供了理论指导。     

准噶尔盆地火成岩动态冲击破碎特征研究

针对准噶尔盆地石炭系火成岩难钻地层,利用改进的立式霍普金森压杆装置,开展了准噶尔盆地石炭系的安山岩、流纹岩、凝灰岩、玄武岩四种火成岩的动态冲击破碎实验;分析了4种冲击速度及不同应变率下火成岩的动态峰值应力、破碎特征;建立了应变率与分形维数的关系。结果显示:动态峰值应力与应变率呈较好的正相关性线性关系,玄武岩在应变率为286.7s~(-1)时,动态峰值应力达到653MPa;随着冲击速度增大,岩石应变率持续增加,所有试样的破碎程度明显增大;在冲击速度为16m/s时,岩石试样应变率在157.8s~(-1)～296.3s~(-1)之间,破碎岩屑的平均破碎块度在16mm以下。分形维数能较好地描述岩石的破碎特征,随着应变率的增大,碎屑分形维数呈增大趋势;当应变率超过157.8s-1时,火成岩试样破碎岩屑的分形维数显著增大至1.5以上;在所有冲击破碎实验中,火成岩试样碎屑没有出现粉末状态。相同冲击条件下,四种火成岩中玄武岩表现出更高的强度,动态峰值应力更高。     

动静组合加载作用下花岗岩破碎的分形特征

在分离式霍普金森压杆实验装置上进行了花岗岩破坏的动静组合加载实验.通过对受载后岩样破碎块度进行筛分统计,得到了该加载条件下岩石破碎的粒度分布.在此基础上,通过理论计算公式,进一步得到了相应的破碎分形维数,分别探讨了静载荷和冲击载荷对分维数的影响.结果表明,动静组合加载作用下花岗岩破碎分维值在2.0～2.8之间;相同静载不同动载下,花岗岩的破碎分维值与试样的应变率有关,随应变率增大而增大;而在相同冲击动载下,静载荷变化对分形维数的影响不大.     

冲击载荷下脆性空心颗粒破碎机理

为考察脆性空心颗粒在冲击载荷作用下的应变率效应和破碎行为的细观机理,以粉煤灰漂珠为研究对象,基于低速冲击实验和有限元数值模拟,对比了典型空心颗粒材料在不同加载速率下的力学响应特性和细观压溃行为,阐释了材料宏观应变率效应产生的细观机理,获得以下结果。（1）在0.001～300 s?1应变率范围,漂珠颗粒的破碎率和Hardin破碎势平均提升了约21%和10%～30%,材料比吸能提升了50%～125%,比吸能的额外增加主要与动态颗粒滑移产生的摩擦耗能相关。颗粒平均尺寸较大的试样体现出更强的应变率效应。（2）初始压溃阶段的应力应变响应特征的数值模拟结果与实验结果较吻合,低速冲击下动态二次压溃现象产生的细观机理为动态颗粒滑移和压紧行为对加载速率的依赖性。(3) 数值模拟表明,冲击加载下产生相同应变时颗粒的损伤程度和范围大于准静态加载,这与实验所得破碎势随应变率增加的结果一致。对比低速冲击实验的相对破碎势分析和细观数值模拟结果可知,脆性颗粒堆积材料在动态冲击下表现出的宏观应变率效应主要归因于颗粒压溃行为的率敏感性和动态加载下颗粒破碎能量利用率的降低。     

高应变率加载下材料的损伤破碎规律

对材料损伤破碎规律的分析是研究材料损伤断裂行为的一种有效途径。本文着重介绍了高应变率加载下材料损伤破碎规律的研究进展、基于损伤断裂机理的研究以及材料损伤破碎过程自相似性的分形理论研究,讨论了材料损伤破碎规律与材料自身属性和外部加载条件的相互关系。     

Zr基非晶合金JH-2模型的构建及应用

为构建Zr_62.5Nb₃Cu_14.5Ni₁₄Al₆非晶合金在高压、大应变、高应变率状态下的材料模型，采用根据实验数据理论推导和数值模拟对比反馈的方法，对材料的Johnson-Holmquist本构模型（JH-2模型）参数进行了研究:材料的静水压力-体应变关系通过平板冲击实验数据和理论推导得到；无损材料强度与应变、应变率的关系通过轴向压缩实验数据确定；材料损伤参数与破碎材料强度参数的关系通过平板冲击实验数据确定；破碎材料强度参数通过数值模拟与实验结果对比的反馈法得到。将材料模型应用于平板冲击和破片侵彻的数值模拟，通过数值模拟与实验结果对比的方式，验证材料模型的准确性。结果表明，平板冲击实验中，材料的自由面粒子速度曲线与数值模拟结果吻合度较高；破片侵彻实验中，破片对钢靶的侵彻深度、开坑孔径与数值模拟结果的一致性较好，构建的材料模型较准确反映了材料的动态力学特性。     

冲击速度和轴向静载对红砂岩破碎及能耗的影响

地下岩体工程爆破开挖中，距爆源不同距离处岩体承受的地应力和动载荷大小不同，从动载荷的角度表征岩石动态破坏结果与工程实际更吻合。为研究动载荷和地应力大小对岩体破碎和能量耗散特性的影响，利用动静组合加载试验装置，分别设置7个冲击速度和轴向静应力等级，对红砂岩试件进行冲击试验。根据试件的破碎状况，分析不同静应力工况下冲击速度对岩石破坏模式和机理的影响。计算不同工况下的应力波能量值，研究冲击速度和轴向静应力对岩石能耗特性的影响。对破坏试件进行筛分试验，研究岩石破碎分形维数随冲击速度和轴向静应力的变化关系。结果表明，随着冲击速度的增大，试件的破坏程度逐渐加大。无轴压时岩石试件破坏后整体仍是一个圆柱体，属于张拉破坏；有轴压时岩石试件宏观破坏后呈沙漏状，属于拉剪破坏。岩石耗散能随冲击速度的升高呈二次函数关系递增；轴向静应力越高，递增幅度越小。随着冲击速度的升高，岩石分形维数由零逐渐增加；随着轴向静应力的升高，分形维数由零转为大于零的临界冲击速度先升高后降低。     

Zr基非晶合金破片冲击破碎反应机制研究

为研究Zr基非晶合金破片的冲击破碎反应机制,进行了准密封箱冲击超压实验,测试了破片的碎片粒度,分析了碎片尺寸分布关系,并对不同粒径尺度的碎片进行了X射线衍射分析。实验结果表明,材料在冲击加载下的反应程度随着撞击速度的升高而增大;碎片分布符合分段式幂次律分布规律;材料冲击诱发的化学反应主要为Zr元素与空气中氧气的燃烧,其主要反应产物为ZrO₂。基于冲击升温-碎片分布-碎片燃烧的冲击破碎反应理论模型能较好地解释冲击作用下Zr基非晶合金破片的反应规律,理论计算与实验结果吻合度较高。     

地质材料力学中的分形几何现象

地质材料力学行为复杂多变,它可能构造于一个分数维空间.本文主要探讨地质材料力学中的分形几何现象,构造了岩石破碎过程的分形图,讨论和分析了地质材料的应力应变关系、微观断裂、裂纹分叉及开采引起上覆岩层陷落中表现出的分形几何特征.     

脆性材料裂纹扩展的分形运动学

大量实验结果表明脆性材料裂纹扩展路径是弯弯曲曲的，不规则的，断裂表面粗糙不平，表现出分形特征。本文应用分形几何推导出脆性材料裂纹扩展的分形运动学公式，得到了动、静态断裂韧性与分形裂纹扩展速度、裂纹长度、微结构特征量δ＿ｃ以及分形维数之间的关系；推导出了裂纹扩展速度的计算公式，得出宏观量测的裂纹扩展速度Ｖ＿０应小于分形裂纹扩展速度Ｖ；并推导出直接根据材料动、静态断裂韧性和裂纹扩展速度Ｖ＿０估算材料裂纹扩展路径的分维计算公式．本文理论分析结果与实验值在定性定量上达到了较好的一致。     

激光刻痕聚丙烯塑料失效破坏的参数识别

采用等效截面积法建立了激光加工微孔的有限元模型及带激光刻痕聚丙烯塑料板的冲击模型,并 通过参数识别方法确定了材料的失效应变。通过极差分析得出该塑料材料的冲击断裂强度随撕裂线直径的 增大而增大,随冲击速度的增大而减小。这与实验结果一致。     

高压水射流冲击下煤体破碎强度的确定

基于球形空腔膨胀理论，将煤体在高压水射流冲击下的动态力学响应分为破碎区、裂纹区、弹性区，并分析了各区的力学特征，在此基础上得出了高压水射流冲击下煤体的破碎强度(即高压水射流发生破煤现象的最小冲击压力)的计算公式。将理论计算结果与实验和数值模拟进行对比分析，结果表明：煤体在相同力学参数条件下，数值模拟和模型实验得出的高压水射流破煤压力为15～20MPa，本文理论推导得出的煤体破碎强度(最小破煤压力)为17.86MPa，二者误差小于16%。     

岩石爆破破碎时间及微差起爆延时优化

利用分形理论分析岩石爆破的破碎时间，提出了岩石爆破破碎时间的计算方法和微差起爆延时优化的一种途径。     

岩石破碎程度的分形度量

本文用分形几何方法对破碎岩石块度分布进行了统计分析，结果表明，分形维数Ｄ是反映岩石破碎程度恰当的统计特征量，同时指出，分形维数是岩石细观结构、破坏方式及试样形状尺寸等因素的综合反映．     

爆轰加载下金属锡层裂破碎数值模拟

对爆轰加载下低熔点金属锡的层裂破碎问题开展了数值模拟。在利用实验数据对所采用数值方法和材料模型开展对比验证的基础上，通过对样品内部物理量时间及空间分布演化对比分析，剖析了冲击加-卸载中样品内部应力波与材料相互作用过程。此外，通过对比分析不同厚度锡样品在爆轰加载下的动态行为特征，进一步认识了自由面反射稀疏波、边侧稀疏波和入射稀疏波共同作用下层裂破碎演化机制。结果表明，当样品较薄时，层裂破碎行为由反射稀疏波主导；随着样品厚度的增大，反射稀疏波主导区缩小，入射稀疏波和边侧稀疏波主导区逐渐增大。     

漂珠颗粒材料静动态力学性能与破碎机理研究

为考察脆性空心颗粒材料冲击载荷下的力学特性，以具有不同粒径分布的粉煤灰漂珠为研究对象，对其静动态力学性能进行实验研究。通过限制颗粒材料压缩应变为50%，分析颗粒破碎率和破碎机理与材料宏观应变率效应的关系。结果表明:（1）不同粒径的漂珠颗粒材料在动态压缩下较准静态压缩下颗粒材料的强度均有明显的增强，在0.001和150 s?1大小颗粒的强度分别提高200%和195%，在150和300 s?1大小颗粒的强度分别提高39%和51.5%，在300和800 s?1大小颗粒的强度并未发生明显的变化；（2）在相同加载速度下粒径较小的颗粒比大粒径颗粒的强度和吸能效果分别提高35%～40%和35%～48%；（3）对破碎后颗粒粒径分布曲线分析可知，随着加载速度的增加，大小颗粒的破碎率和破碎程度都会增大，且在相同加载速度下大颗粒的破碎率较小颗粒的破碎率高；（4）Hardin破碎势分析表明，单位输入能量下颗粒的相对破碎势随冲击速度增大而减小，动态冲击下用于颗粒破碎的能量利用率降低，从而导致材料在相同压缩量下产生更高的能量耗散和应力水平，即表现为宏观的应变率效应。     

岩石爆破破碎能耗随抵抗线的变化规律

针对爆炸荷载下岩体破碎块度和有用功能耗及能耗利用率问题,运用断裂力学、分形基础理论分析和模型实验等方法,对爆炸荷载下岩体破碎块度和能耗利用率随最小抵抗线的变化规律开展了系统的分析研究。研究结果表明:在模型实验条件下,破碎块度分形维数在1.2～1.7之间,随最小抵抗线增大呈现较好的线性衰减趋势;破碎能耗随最小抵抗线呈现先增加后降低的趋势,爆炸能量利用率在4.57%～12.51%之间,趋势与能耗值一致,模型实验中能耗利用率存在最大值;破碎块度与能耗利用率变化趋势相反,说明在最小抵抗线变化过程中存在一个最佳值,使得破碎块度和能耗利用率均处于最优状态,模型实验中这一最佳值为160 mm,是装药直径的26.7倍。该研究结果可为提高爆炸能利用率理论分析及工程中降低大块率的设计和施工提供理论依据。     

石灰岩冲击损伤实验与破碎特性研究

利用一级轻气炮对石灰岩试件进行冲击损伤实验,采用锰铜压力计对冲击波作用过程进行压力测试,对冲击后的试件进行声波探测和剖切观察,研究石灰岩冲击损伤与破碎特征。实验与分析结果表明,在飞片直径小于试件直径、试件自由面条件较好、碰撞压力在1~1.7 GPa的实验条件下,岩石试件的冲击损伤存在头部核心区、环状裂隙区、中部损伤区、底部破坏区的分区特性,且各区的损伤原理不同。软回收装置为试件的侧向和底部创造了良好的自由面条件,以致拉应力对岩石损伤起到了主导作用。最后用有限元软件LS-DYNA对岩石冲击过程进行数值模拟,分析岩石试件的冲击损伤作用,验证了实验结果的正确性。     

基于 Hopkinson 压杆的动态压剪复合加载实验研究

本文提出了一种可用于研究压剪复合加载下，材料动态力学性能的实验装置；该装置主要是基于 Hopkinson 压杆，通过添加一个带倾斜端面的垫块，实现压剪复合加载。本文分析了该实验装置的基本数据处理方法，并利用有限元分析验证了此分析方法的可行性；然后利用该装置对常规金属材料进行了相同冲击速度，不同倾斜角度（分别为 0、30、45 度）下的一系列实验。实验结果表明，该装置能实现压剪复合加载，并且能得到材料的动态屈服面，为研究材料在复杂应力状态下的动态力学性能提供了新的实验方法。