脆性无序介质冲击破碎过程及其非线性动力学特性的细观模拟

为了模拟脆性无序介质的冲击破碎过程以及揭示其所伴随的非线性动力学特性，提出了梁－颗粒细观数值模型。在该模型中，介质被随机地离散成Ｖｏｒｏｎｏｉ多边形单元，相邻多边形采用弹脆性梁单元联结，介质的连续损伤和破坏由梁单元的断裂来模拟。算例表明，梁－颗粒细观数值模型不仅能实时给出介质的破碎图象及其分形维数，而且还能模拟介质内部应力和质点运动速度随时间的演化过程。     

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。     

不同高应变率冲击荷载作用下混凝土试样的能量耗散分析

针对混凝土材料在冲击荷载作用下能量耗散和破碎程度关联性难确定的问题,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)完成了混凝土试块冲击试验,通过对冲击后碎块的筛分试验和应力波传播过程中应变的测试,得到了试块的能量耗散规律和破碎特征。结果表明,(1) 入射应力波的加载时间约为380 μs,入射能、反射能和吸收能随冲击气压的增大而增大;同一气压下,反射能最早达到平衡; (2) 平均应变率越大,入射能和吸收能也越大;当平均应变率为300/s左右时,能量利用率为最低值; (3) 随着入射能的增加,吸收能的增长率越来越大,当入射能达到2100 J时,吸收能近乎线性增长; (4) 随冲击气压增大,试样由拉裂破坏逐渐转移为压碎破坏,且随着材料吸收能的增大,平均破碎尺寸越来越小。当吸收能大于700 J时,吸收能对试样的平均破碎尺寸减小的影响较小。     

混凝土冲击破坏动态力学及能量特性分析

动强度和能量耗散规律是研究混凝土动力特性的主要内容。为探究混凝土在冲击荷载作用下的动态力学、变形以及能量演化特征,利用直径为100 mm的霍普金森杆装置对骨料率为0、32%、37%和42%的混凝土试样,分别进行了冲击速度为5、6、7 m/s的冲击压缩试验。探讨了冲击速度和骨料率对试样变形、动强度以及分形维数的影响,建立了动强度关于冲击速度和骨料率的表达式,并对试样吸收能和裂纹表面能之间的关系进行了对比分析。结果表明:混凝土试样破坏时出现了变形滞后现象,破坏形式主要以劈裂拉伸破坏为主;动强度随冲击速度、骨料率的增大而增大,用所建动强度公式可以较好地预估混凝土动强度;混凝土破坏碎块分形维数、吸收能和裂纹表面能均随冲击速度的增大而增大,随骨料率的增大而减小,且吸收能始终高于裂纹表面能,当骨料率为37%时,吸收能转化率最高,约91%转化为裂纹表面能。     

花岗岩的加载速率效应及能量机制研究

加载速率对岩石的力学性质以及变形破坏方式具有重要的影响。基于MTS810电液伺服材料试验系统与PCI-2声发射仪对岩样进行不同加载速率作用下的单轴压缩和声发射试验。研究结果表明：（1）在各级加载速率作用下,岩样单轴压缩应力-应变曲线大致经历了压密、弹性、屈服、破坏四个阶段。岩样峰后曲线在加载速率为0.001~0.01 mm/s时出现台阶型分段跌落状,在加载速率为0.01~0.1 mm/s时呈现光滑、陡峭的连续曲线。（2）岩样峰值强度、弹性模量随加载速率的增加而增大,与加载速率对数均呈现三次多项式拟合关系。峰值应变随加载速率的增加而减小,与加载速率对数呈现线性拟合关系。（3）随着加载速率由0.001mm/s增加至0.1mm/s,岩样吸收的总应变能 具有波动性,可释放的弹性应变能 增幅60.42%,耗散应变能 降幅 66.38%, 增幅43.33%, 降幅66.67%,岩样破裂模式由拉剪破坏逐渐向张拉劈裂破坏过渡,岩样破裂块数增多。（4）加载速率为0.001~0.1 mm/s时,岩样破坏方式有所不同,但破坏为同一类损伤过程。单轴压缩状态下,能量耗散使得岩样损伤致使强度丧失,而能量释放使得岩样宏观破裂面贯通,并向着能量释放的方向张裂或弹射破坏。     

不同应变率下煤岩破坏特征及其本构模型

利用直径50 mm的分离式霍普金森压杆,对煤岩展开20～100 s?1动态应变率下的单轴冲击压缩试验,结合高速摄影分析其变形破坏特征,并建立基于Weibull统计分布和Drucker-Prager破坏准则的煤岩动态强度型统计损伤本构模型。试验结果表明:（1）煤岩动态应力-应变曲线存在明显的非线性特征,随应变率升高,动态抗压强度与弹性模量均呈线性增长且增幅显著,破坏形态由低应变率下的轴向劈裂破坏向高应变率下的压碎破坏过渡;（2）在动态应变率20～100 s?1下,煤岩破坏后碎块具有明显的分形特性,破碎块度分维值为1.9～2.2,且随着应变率的升高,煤岩破碎程度增大,碎块块度减小;（3）基于Weibull分布参数F₀、m和应变率的关系,修正煤岩的本构模型,并与试验结果进行对比,验证该模型的合理性。     

基于颗粒离散元法的连接键应变软化模型及其应用

基于颗粒间的有限接触假设,提出了可表述颗粒间力、力矩传递的连接键模型. 为了表征连接键的塑性、损伤及断裂过程,在连接键中引入了考虑应变软化效应的Mohr-Coulomb 准则及最大拉应力准则. 单一连接键的单向拉伸测试及直剪测试表明了上述连接键应变软化模型的计算精度. 研究了颗粒体系的宏观应变能与颗粒平均配位数的对应关系. 通过计算发现,对于二维颗粒体系,当平均配位数为5 时,颗粒体系的宏观应变能与相同参数下连续介质方法(如有限元等) 计算获得的应变能基本一致. 利用上述连接键应变软化模型对岩石的单轴压缩过程进行了模拟,计算结果表明:岩石单轴压缩的应力应变曲线经历了线性上升段、非线性上升段、非线性下降段及缓变段等4 个阶段,并给出了上述4 个阶段与岩石内部损伤破裂状态的内在联系. 计算结果还表明,随着断裂应变的增大,岩石的破裂模式逐渐由拉剪复合型破裂向单一压剪型破裂转化;随着断裂应变的增大,峰值应力及达到峰值应力时的应变均逐渐增大,但峰值时的破裂度及终态时的破裂度将逐渐减小.      

全长锚固锚杆锚固单元力学性能实验研究

锚固单元的传力特性是影响全长锚固锚杆支护能力的重要因素。由于锚固单元界面构成复杂,本文主要考虑锚杆与粘结材料及其界面的力学特性,开展锚固单元界面剪切力学实验研究。实验结果表明,砂浆强度直接影响界面的峰值强度和剪切刚度;采用相同强度砂浆,界面的峰值强度、剪切刚度和残余剪切强度都与法向应力成正比;在相同法向应力作用下,剪切速率增加引起峰值剪切强度增大,但对残余剪切强度影响较小。依据实验剪切应力–位移曲线将锚固单元与岩石间界面的解耦过程分为“峰前–软化–滑移”三阶段,非连续变形分析方法数值模拟结果表明,加载初期的损伤主要受粘结材料抗拉强度的影响,临近峰值阶段与粘结材料张剪混合破裂相关;软化阶段和滑移阶段主要受粘结材料剪切特性和颗粒形状的影响;引入实验所获得的三线滑移模型曲线到全长锚固锚杆模型,模拟拔出数值实验结果表明较快拔出速率将影响锚杆变形能力。     

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。     

可破碎颗粒体在动力载荷下的耗能特性

采用离散元的数值方法, 通过连接键将若干小颗粒绑定为一个具有不规则外形的大颗粒体, 设置不同连接键强度模拟了颗粒体在外加动力载荷下破碎过程, 并探讨其中系统能量耗散特性. 计算结果表明, 颗粒体的破碎程度决定了系统能量耗散率, 即内部耗能占外界输入能量的比例. 破碎率越高, 颗粒间相互摩擦和碰撞越剧烈,系统能量耗散率越高. 同时, 在循环载荷下系统内颗粒体破碎绝大部分发生在加载初期, 随着颗粒体的分解破碎速率逐渐减小, 系统耗能能力也随之降低.      

单轴压缩条件下破裂岩样声发射及能耗特性试验研究

为揭示岩石变形破裂的内在机理及正确评价工程破裂岩体的特性,本文对破裂岩石再破裂过程声发射、能耗特性进行了综合研究。借助MTS伺服试验机及AE21C声发射检测仪,对破裂岩样进行了单轴压缩条件下再破裂过程中的声发射及能耗特性实验研究。研究结果表明:破裂岩样声发射事件-时间曲线主要属于峰前阶段加速增长型,其声发射事件-时间曲线大致可分为声发射初始发展、剧烈、降低三个阶段;在整个压缩破裂过程中,声发射活跃程度总体上大于相对完整岩样;峰值点是声发射特征、能耗特征的转折点;岩样变形破裂过程中,声发射与能耗指标之间存在内在的、必然联系;随着破裂程度的提高,破裂岩样峰值点吸收能量与峰前段耗散能量均逐步降低;破裂岩样表面破裂面分布分形维数同峰值点吸收能量与峰前段耗散能量之间总体上均遵循非线性的二次多项式函数关系。     

Impact comminution of solids due to local kinetic energy of high shear strain rate: I. Continuum theory and turbulence analogy

The modeling of high velocity impact into brittle or quasibrittle solids is hampered by the unavailability of a constitutive model capturing the effects of material comminution into very fine particles. The present objective is to develop such a model, usable in finite element programs. The comminution at very high strain rates can dissipate a large portion of the kinetic energy of an impacting missile. The spatial derivative of the energy dissipated by comminution gives a force resisting the penetration, which is superposed on the nodal forces obtained from the static constitutive model in a finite element program. The present theory is inspired partly by Grady's model for expansive comminution due to explosion inside a hollow sphere, and partly by analogy with turbulence. In high velocity turbulent flow, the energy dissipation rate gets enhanced by the formation of micro-vortices (eddies) which dissipate energy by viscous shear stress. Similarly, here it is assumed that the energy dissipation at fast deformation of a confined solid gets enhanced by the release of kinetic energy of the motion associated with a high-rate shear strain of forming particles. For simplicity, the shape of these particles in the plane of maximum shear rate is considered to be regular hexagons. The particle sizes are assumed to be distributed according to the Schuhmann power law. The condition that the rate of release of the local kinetic energy must be equal to the interface fracture energy yields a relation between the particle size, the shear strain rate, the fracture energy and the mass density. As one experimental justification, the present theory agrees with Grady's empirical observation that, in impact events, the average particle size is proportional to the (−2/3) power of the shear strain rate. The main characteristic of the comminution process is a dimensionless number B_a (Eq. (37)) representing the ratio of the local kinetic energy of shear strain rate to the maximum possible strain energy that can be stored in the same volume of material. It is shown that the kinetic energy release is proportional to the (2/3)-power of the shear strain rate, and that the dynamic comminution creates an apparent material viscosity inversely proportional to the (1/3)-power of that rate. After comminution, the interface fracture energy takes the role of interface friction, and it is pointed out that if the friction depends on the slip rate the aforementioned exponents would change. The effect of dynamic comminution can simply be taken into account by introducing the apparent viscosity into the material constitutive model, which is what is implemented in the paper that follows.     

Effect of rock shapes on brittle fracture using Smoothed Particle Hydrodynamics

Breakage of rocks or particulates plays a major role in various industries, such as mineral and ore processing. Many of the processes used for fracturing materials in these industries have the requirement to produce specified size and/or shape of the products. Numerical modelling can assist in understanding and predicting complex fracture processes, and can be used in designing the equipment and setting the process parameters to ensure desired product quality. In this paper, a mesh-free numerical method, called Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), is extended to predict impact fracture of rocks. SPH is a particle based Lagrangian method which is particularly suited to the analysis of fracture due to its capacity to model large deformation and track the free surfaces generated. A continuum damage model is used to predict the fracture of rocks. Evolution of damage is predicted using the strain history of each particle. Damage inhibits the transmission of tensile stress between particles, and once it reaches unity, the particle is unable to transmit tensile stress, resulting in a macro-crack. Connected macro-cracks lead to complete fragmentation.Firstly, an Unconfined Compressive Strength (UCS) test under uniaxial compression of a rock sample is modelled using SPH and compared against experiments to validate the capability of SPH for prediction of fracture in rocks. The SPH prediction matched the well-known experimentally observed diagonal fracture pattern. SPH is subsequently used to simulate brittle fracture of rocks during impact. Rock specimens of different shapes are examined to determine the effects of shape on both the fracture pattern and the energy dissipation during impact fracture. Rock shape is found to have considerable influence on the fracture process, fragment sizes, energy dissipation, and post-fracture motion of the fragments.     

应力波穿越岩石节理时能量耗散规律的实验研究

采用材料试验机和大尺度激光表面仪对大理岩和花岗岩两种岩石进行三点弯曲和粗糙断裂面的扫描实验,详细地分析了粗糙断裂面的分形特征。通过SHPB实验,研究并提出了波能量耗散与断裂面分形维数的定量关系;分析了分形维数对波能量耗散的影响规律。研究得出以下结论:1)随着粗糙断裂面分形维数的增大,通过断裂面时应力波能耗将相应增加;2)应力波能量主要是以热能和塑性变形能耗散。分形维数越大,比表面积则越大,粗糙表面粒子相互摩擦和挤压程度相应增加,导致波的机械能转化成热能和塑性变形能部分增加,因而波动能量耗散越大。     

多孔铁电陶瓷冲击压缩响应与损伤演化的离散元数值模拟

采用flat-joint粘结模型，建立多孔铁电陶瓷在一维应变冲击压缩下的PFC (particle flow code)颗粒流离散元模型，通过数值模拟再现了平板撞击实验中实测的自由面速度剖面历史，并揭示了多孔铁电陶瓷在冲击压缩下的响应过程与损伤演化机制。多孔铁电陶瓷在冲击压缩下的响应过程可分4个阶段:弹性变形、失效蔓延、冲击压溃变形、冲击Hugoniot平衡状态；其中，失效蔓延的内在机制是由剪切裂纹的成核与增长，而冲击压溃变形的主要机制是孔洞的塌缩以及层状剪切裂纹的形成与扩展；冲击速度与孔隙率对铁电陶瓷的响应有显著的影响，Hugoniot弹性极限强烈依赖于孔隙率，但与冲击速度的大小无关，宏观损伤累积随着冲击速度和孔隙率的增加而增加。     

层状结构冰球的高速撞击特性实验

为研究冰雹在不同撞击速度下的破碎特性及致损能力，通过空气炮加载技术，开展了单一性状冰球和层状结构冰球高速撞击刚性靶实验，利用测力杆记录了两种类型冰球在不同撞击速度下的撞击力时程曲线，并结合高速摄影技术研究了两类冰球的高速撞击破碎特性。实验结果表明:两类冰球高速撞击刚性靶的宏观破碎特性相似，在碰撞初始阶段冰球已完全破碎，形成微颗粒团簇体，反向溅射角呈随撞击动能增大而增大的趋势；与单一性状冰球撞击力曲线相比，层状结构冰球撞击力曲线中出现二次上升信号，推测是由于破碎界面在层间界面发生偏折，小球未完全破碎再次撞击测力杆所导致；高速撞击下层状结构冰球的撞击力高于单一性状冰球，推测是由于层间结构的存在延缓了冰球的破碎进程，提升了其在冲击方向传递动量的能力，进而产生了更高的撞击力。研究结果有助于深化对冰雹在高速撞击下的破坏力学行为的认识，同时可为飞行器结构防护、冰雹撞击安全设计研究等提供参考。     

厚度与加载速率对铁素体钢断裂韧性影响的SP压杆法实验研究

采用SP压杆实验方法,在常温下研究小圆薄片断裂韧性的厚度效应及加载速率对断裂特性的影响.实验结果表明,随着厚度的增加,断裂变形能增加,断裂部分的外表面因双向应力状态表现出微突起,微突起四周存在微小裂纹;随着加载速度的增加,断裂变形能增加,剪切断裂表面表现出从密集韧窝到韧窝连接成片特征.考虑试件变形过程中不同部分的能量耗散,从SP试件的整体断裂变形能得到试件的断裂韧性的宏观表达,断裂韧性随着厚度的增加而增加,随着加载速度的增加而减少.采用临界塑性断裂应变作为裂纹起裂判据,单位面积的能量耗散率作为裂纹扩展和失效判据的断裂模型,用有限元方法对SP压杆实验进行模拟,得到与实验结果比较相符的模拟结果.