爆炸应力波对高速扩展裂纹影响的动态光弹性试验研究

本文用动态光弹性模拟试验和分析方法,观察和分析研究了爆炸应力波对高速扩展的运动裂纹扩展方向和扩展速度的影响过程和机理。结果表明:当[裂纹扩展方向与入射膨胀波(P波)波阵面法线的夹角]=0时,P波的作用不会改变裂纹的扩展方向,但使其扩展速度发生变化,入射剪切波(S波)能使裂纹改变扩展方向;当0/2时,P波和S波都能改变裂纹扩展方向,而且,P波使裂纹扩展速度降低,S波使裂纹扩展速度提高。这一试验研究对于理解爆炸、冲击载荷与扩展裂纹相互作用的机理,对于理解控制、光面、预裂爆破中相邻炮孔之间后爆炮孔产生的应力波与先爆炮孔壁上产生的裂纹的相互作用具有理论和实际意义。     

钻孔爆破中炮孔堵塞效果及堵塞长度的研究

基于炮孔爆破的特点,利用爆破理论和应力波理论,分析了炮孔堵塞物的作用机理、受力情况及在炮孔中的运动过程,推导出了炮孔堵塞长度的计算公式,并在此基础上对炮孔堵塞及堵塞对爆破效果的影响进行了实验,实验结果表明了钻孔爆破中炮孔堵塞的重要性和必要性．研究结论可为爆破参数设计提供理论依据．     

爆炸应力波作用下裂纹与孔洞的动态焦散线分析

将高速摄影技术与动态焦散线方法相结合，研究了爆炸应力波对裂纹、空孔的作用历史，记录了环绕它们的动态焦散斑图，给出了爆炸应力场中裂纹尖端复合应力强度因子的时间依赖关系以及空孔周围应力场分布的瞬态变化过程，为固体介质的爆破机理研究提供了新方法。     

起爆时差对孔间裂缝贯穿影响的动光弹研究

文章用动光弹试验方法研究了相邻两个炮孔被同时起爆和采用不同的起爆时差起爆时炮孔之间应力波的传播及其应力波对裂纹扩展的影响,并重点研究了炮孔之间裂纹的产生、扩展及贯穿过程和机理。研究结果表明:在先起爆的炮孔爆炸产生的动态应力场存在时起爆另一个炮孔,即起爆时差N基本满足t/c(?)Nt/c(?),是在后起爆的炮孔孔壁上产生主导控制裂纹的最有利条件;在先起爆的炮孔旁钻导向孔,并采用合适的起爆时差可以获得炮孔间的最佳贯穿。     

炮孔之间爆炸应变场的光力学分析

本文分别运用动态云纹-光弹性和电阻应变量测方法研究了相邻两炮孔之间爆炸应变场。多火花式高速像机和超动态量测系统被用于动态记录。根据动态云纹-光弹条纹分析了应力波的叠加作用,定量地计算了爆炸应力波叠加作用期间内不同时刻地孔连心线上_x(沿连心线方向)和_r(垂直于连心线方向)的分布以及_x在连心线中垂线上的分布。用应变片记录了爆炸应力波叠加作用时连心线上应变-时间示波器轨迹。测量和计算所得炮孔间应力波叠加和衰减的规律与理论分析和动光弹模拟分析结果一致。     

压应力场中爆生裂纹分布与扩展特征实验分析

采用动静组合加载实验装置和数字激光焦散线实验系统,进行了0、3、6、9 MPa等4种压应力场中PMMA试件的爆破致裂实验,分析了沿静态主应力方向扩展的裂纹运动学和力学行为。实验结果表明:首先,静态竖向载荷在预制炮孔周围产生应力集中,在炮孔壁上下端部处出现最大拉应力;随后,在动态爆炸载荷的叠加作用下,裂纹优先在炮孔壁上最大拉应力位置处起裂,并沿最大主应力方向扩展;裂纹扩展过程中,静态竖向载荷越大,裂纹扩展速度越大,且裂纹尖端应力强度因子值越大。     

界面对应力波作用的动光弹试验研究

用动光弹法分析研究了在冲击载荷作用下界面上应力波的传播过程,利用应力波理论分析了界面上应力波的作用机理,证实了界面上存在着能量累积和阻滞能量传递的作用,并结合弹性波动理论和应力 光学定律导出了波动方程与条纹级数之间的关系式。     

基于DIC技术的爆炸应力波过异质界面应变场演化规律实验研究

采用氯仿粘结聚碳酸酯（polycarbonate, PC）板和聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate, PMMA）板模拟含异质界面模型;在PC介质中布置柱状炮孔并与界面呈一定角度,根据炮孔端部与界面相对位置,分别于柱状炮孔两个端部设置起爆点,起爆点远离界面端部时定义为孔口起爆,靠近界面端部时定义为孔底起爆;借助数字图像相关实验系统,研究爆炸应力波通过异质界面后PMMA介质应变场演化过程及炮孔底部区域拉、压应变变化规律。实验结果表明,异质界面改变了爆炸应力波过界面后的传播形态。孔口起爆时,异质界面受爆破荷载作用后易形成应力集中区,界面处产生开裂,横向拉伸波作用是造成异质界面开裂的主要原因。起爆方式对过界面后介质PMMA的横/纵向拉、压应变场作用贡献不同,主要体现在应变场强度、拉/压应变场位置分布2个方面。在炮孔底部区域,起爆方式对应变场时程特性的影响主要体现在作用时效长短和应变强度2个方面。孔口起爆时,横/纵向应变体现出短时效、高强度的变化特征。就应变强度而言,起爆方式对横向压应变的影响显著强于其对纵向拉应变的影响。对空间分布特性影响主要体现在衰减程度,起爆方式对纵向应变衰减程度影响较大。无论采用何种起爆方式,爆炸应变场在PC介质中衰减速度较快,进入PMMA介质后衰减速度显著降低。     

应力波传播规律研究中的一种快速分析方法

本文提出了一种能快速、简便、直观地分析了应力波传播状况的方法。该方法利用可视化计算并绘制流前图，而后将其与动光弹条纹图相比较，进而利用所推导的应力波迭加分析式判断出物体边界或其内部的应力波迭加效果。文中对圆盘中的几个典型区域进行了实例分析。     

基于双向聚能拉张爆破理论的巷道顶板定向预裂

为在切顶卸压沿空留巷中获得巷道顶板预裂炮孔的最优间距,基于双向聚能拉张爆破技术,采用以LS-DYNA动力分析软件为基础的数值模拟和现场试验对巷道顶板定向预裂进行研究,优化炮孔间距。数值模拟结果表明,当炮孔间距为400 mm时,应力波叠加后产生有效的拉应力;当炮孔间距为500 mm时,应力波叠加后也能够产生有效的拉应力,该拉应力大于孔壁围岩的抗拉强度,能够使孔壁围岩沿聚能方向形成裂缝,且利于炮孔间裂纹的扩展;随着炮孔间距进一步的增大,当炮孔间距为600 mm爆破时,由于间距过大,应力波无法有效叠加,不能产生连续裂缝。现场试验表明,间距为400和500 mm的炮孔间隔爆破时,未爆破孔自炮孔孔底至孔口产生连续有效裂缝,裂缝长度达2.4 m,相邻炮孔间沿炮孔中心线均能够形成连续有效的切缝面,能够有效控制沿空巷道顶底板位移及沿空巷道顶板压力。综合分析,在3种不同炮孔间距的试验方案中,确定间隔爆破、500 mm的炮孔间距为同一地质条件下3种试验设计中的最优方案。     

煤层深孔预裂爆破耦合装药系数对爆生应力波能量的影响研究

针对煤层深孔预裂爆破爆生应力波能量弱、信噪比低的现状,为了给爆孔的装药结构提出合理的改进方案,本文建立了耦合和不耦合装药情况下爆孔孔壁爆炸载荷和透射波能量的计算模型,并利用Matlab软件获得了解析解。同时在淮南矿业集团潘三矿进行了耦合装药系数ξ对爆生应力波能量影响的现场实验,利用改进的基于功率谱的能量分析法对现场实验数据进行分析。理论数值计算及现场实验均表明:应力波总能量随ξ增大而减小;当ξ=1.5时,应力波信号在10~50Hz区间的低频能量最强,信噪比最高,增透效果最佳。     

爆炸波与地下结构物相互作用的动光弹性探讨

本文用动态光弹性探讨了地表爆炸产生的应力波与地下结构物相互作用的机理,根据等差条纹分布分析了P波、S波、von Schmidt波及R波与结构物基础的相互作用过程。研究表明R波是对地下结构物危害最大的波。可以采取防护措施来反射和消耗R波的能量。     

用光弹和光弹贴片法研究爆炸应力波

本文借助于光弹和光弹贴片法及沙丁照相机,用透明的环氧树脂板和带有双折射贴片的大理石板模拟无限平面,研究了炸药爆炸后介质中应力波传播的特征。借助于动态二维应力光学定律和应变光学定律得出了无限平面中炮孔周围应力场的定量分析结果。     

正交异性材料平面裂纹尖端应力场

根据正交各向异性材料力学性能确定出了用应力函数表示的弹性力学基本方程,利用坐标变换和复变函数方法求解了正交异性材料平面裂纹体的应力边值问题。借鉴一般断裂力学解法构造了I型和II型裂纹问题的应力函数,推导出了正交各向异性板裂纹尖端区的奇异应力场。通过数值计算说明了裂纹尖端应力表达式的正确性,验证了裂尖前沿应力变化规律,即σx与材料特征参数h2成正比,而σy和τxy不随材料特性变化。     

杆中嵌入薄板的应力波传播行为

采用一维理论分析和二维有限元模拟,研究了杆中嵌入薄板的应力波传播行为.首先根据一维弹性应力波理论,推导了反射波,透射波以及板中应力的表达式.结合算例,分析了薄板厚度对应力波传播的影响,然后采用有限元方法,验证了一维理论分析结果,同时也研究了不同界面处理方式对结果的影响.结果表明板越薄,对应力波传播的影响越小,薄板中应力越能真实地反映杆中的应力状态;在SHPB实验中,嵌入薄片/薄膜传感器测量微弱应力信号是可行的.     

界面上应力波传播规律的动态光弹性试验研究

采用动态光弹性方法,对应力波在杆-杆和板-板双材料连接界面上的反射和透射传播规律展开研究．通过对双材料粘接模型施加冲击载荷作用,采集和分析等差线条纹,计算出最大剪应力值．对于两种试验模型应力波在界面上都以透射为主,对应力波的阻隔作用不明显,这与接触式界面对应力波有较强的阻隔作用有较大区别,在应用界面减弱应力波的作用时应注意区分．试验结果与理论计算结果基本保持一致,并由此证明采用动态光弹性法研究应力波在界面上传播规律的可行性．     

应力波和动光弹等差条纹的分析与判读

介绍了动光弹的基本原理，并从理论上回答了动光弹应用中的一些问题，如惯性力可否忽略等．并在总结回顾动光弹等差条纹级次判读方法的基础上，提出了把应力波理论与等差条纹分析判读相结合的方法，这样不仅使条纹判读的概念更清晰，而且可提高条纹分析和级次判读的准确性．     

对称表面动载下有限块体的破裂过程

实验表明,受对称布置的表面爆炸载荷的脆性块体,会在通过载荷作用点连线的某一平面上破裂。为解释这一现象并进一步探讨利用类似方法破碎岩块的可能性,本文介绍了应用弹性动力学理论建立的计算模型以及所进行的动光弹和混凝土块模型试验。研究结果表明:在所述载荷条件下,应力波特别是自由界面反射的拉伸波对块体的破碎起重要作用;由于多向拉应力集中,在块体加载端面梭边中部最易产生径向裂隙,此后在侧面反射波的作用下裂隙延伸,与中部可能存在的裂纹贯通,从而将块体破开;对称加载使应力波在块体内多次叠加有利于块体充分破碎。     

爆炸荷载作用下岩石动态裂纹扩展的数值模拟

运用岩石破裂过程分析软件RFPA-dynamic,就爆炸荷载的加载速率、炮孔到自由边界的距离以及两炮孔中间空孔的大小对动态裂纹扩展方式的影响进行了研究。结果表明:随着加载速率的减小,炮孔周围的破碎区逐渐减少;裂纹开始萌生的位置逐渐由破碎区外边缘向炮孔孔壁转移;萌生的分支小裂纹逐渐减少,主裂纹扩展长度逐渐增大。由于自由边界的影响,炮孔向下扩展的裂纹逐渐弯向水平方向,且炮孔到自由边界的距离越小,这种趋势越明显。由于空孔的导向作用,使靠近空孔的裂纹逐渐弯曲向空孔处扩展,同时在空孔孔壁两端产生一条向炮孔扩展的裂纹;空孔半径大小对裂纹的导向作用,并无明显的影响;材料的非均匀性,对裂纹的扩展方式有显著的影响。     

用动光弹性法研究材料引入的分配层对应力波传播的影响

本文用动态光弹性模拟试验分析方法，观察和分析研究了材料不同的分配层对应力波在结构中传播的影响，比较分析了冲击荷载产生的应力波在洞室结构顶部的传播及相互过程，得到指定点处的应力—时间关系曲线，为结构震塌机理的进一步的研究和防护结构的改进提供参考。