顶爆和拱腰侧爆同时作用下锚固洞室的动态响应

基于相似模型试验,采用显式非线性动力分析程序LS-DYNA3D研究了地下锚固洞室在拱顶和拱腰侧两处集中装药爆源同时爆炸作用下应力波传播规律、裂纹形成机理以及洞壁围岩位移分布特征。通过对比分析顶爆试验和计算模型的压应力时程曲线,发现模拟与试验结果吻合,且符合应力波的传播规律,表明数值模拟结果可靠。爆源爆炸后,应力波以圆形向周围岩体传播,两应力波相遇处压应力强度明显大于周围岩体;当应力波传到自由面时,会反射形成拉伸波,在地表下方和洞室上方发生“层裂”现象,在拱顶和拱腰侧爆源中间沿洞室径向有裂纹延伸,由于拉伸波的叠加,在爆源下方出现“八”字形的锥形裂纹面。锚杆能够起到加固岩体的作用,锚固洞室比毛洞裂纹分布少,毛洞迎爆侧裂纹主要为横向裂纹,而锚固洞室则为径向劈裂和横向裂纹。两爆源中点洞室径向处的洞壁围岩位移峰值最大,极易产生破坏。     

在顶爆作用下含裂隙锚固洞室的损伤演化及动态响应规律

基于相似模型试验,利用数值分析方法研究了含裂隙锚固洞室在顶爆下的损伤演化和动态响应规律,并探讨了裂隙倾角和长度对锚固洞室损伤分布和拱顶位移的影响。随着爆炸应力波的传播,在裂隙表面形成张拉损伤,并在裂隙尖端扩展出翼生裂纹,随后在锚固洞室附近的拱顶自由面、锚固区边界处以及底板中间依次形成较大拉伸损伤区域。随着裂隙倾角从0°加大到90°,拱顶锚固区及锚固区边界最大损伤区域面积先减小后增加,裂隙倾角为45°时面积最小。当裂隙的长度相同时,拱顶峰值位移随裂隙倾角的增大先增加后减小;当裂隙的倾角相同时,裂隙长度越长对应力波的阻碍作用越明显,裂隙长度为30cm、倾角为45°时洞室破坏最小。     

固体爆炸作用下地铁站台及围岩的响应规律

地铁站内发生爆炸将造成巨大的人员伤亡和财产损失。依托上海某地铁站工程,将HJC模型嵌入开源物质点法程序中,研究了固体炸药爆炸作用下地铁站台及围岩的响应规律。结果表明：受爆炸应力波的影响,站台顶板和底板响应压强在短时间内达到峰值后迅速降低,站台结构在爆炸过程中既存在受拉区又存在受压区;在站台边墙处,由于应力波与反射波叠加,会出现超压突变区;爆炸作用使站台结构整体下沉,且起爆点正下方围岩会形成塌陷坑,起爆点正上方围岩和车站结构相对周围向上隆起;结构受损区域主要集中在结构底板,呈椭圆形;站台有柱区域的抗爆能力强于无柱区域。     

一维静载与循环冲击共同作用下砂岩动态力学特性试验研究

以硬岩巷道的煤系砂岩为研究对象,利用改进的动静组合加载分离式霍普金森压杆系统进行轴压梯度为5、15、20 MPa,冲击气压梯度为0.8、1.0、1.2 MPa的一维循环冲击压缩试验。结果表明：整个循环冲击过程中,在不考虑轴压和冲击气压的情况下,砂岩的峰值应力随着冲击次数的增加呈现先增大后减小的变化趋势,而峰值应变、最大应变及平均应变率均呈现相反的变化趋势;在相同的冲击气压下,砂岩的峰值应力和累计循环冲击次数随轴压的增大而减小;在相同的轴压下,随着冲击气压的增大,峰值应力不断增大,而累计冲击次数却先增大后减小;在一维静载与循环冲击的共同作用下,砂岩的整个冲击过程可划分为压密阶段、内部裂纹发展阶段和加速破坏阶段。研究表明,地下深部矿柱失稳大概率是在静载与动载的相互作用下导致的,而动载的频繁扰动是矿柱失稳的主要影响因素。     

无损评价固体板材疲劳损伤的非线性超声兰姆波方法

从理论上分析了采用非线性超声兰姆波方法准确评价固体板材疲劳损伤的可行性.对于未承受周期性载荷作用的航空铝板,采用已建立的超声兰姆波实验系统测量了在其中传播的超声兰姆波的基波和二次谐波的幅频曲线,并对所测得结果给予了合理的物理解释.对两块给定的航空铝板试件施加拉-拉疲劳载荷作用,在超声兰姆波具有强烈非线性效应的条件下,对于不同的载荷循环次数,分别对两试件中超声兰姆波的基波和二次谐波的幅频曲线进行了测量.结果表明,在板材疲劳损伤的初期,超声兰姆波基波的应力波因子随循环次数的改变并不明显,且与循环次数的对应关系也不确定;然而,在周期性载荷作用的最初阶段,超声兰姆波二次谐波的应力波因子随循环次数的变化非常显著,并表现出明显的单调对应关系,表明超声兰姆波的非线性效应及相应的超声兰姆波二次谐波的应力波因子,可望能为固体板材早期疲劳损伤的准确评价提供一条有效途径.     

标准线性固体材料中球面应力波传播特征研究

基于标准线性固体模型, 结合球面波波动方程, 给出了球面应力波的粒子速度v、粒子位移u、径向应力σ_r、切向应力σ_θ、径向应变ε_r、切向应变ε_θ、折合速度势、折合位移势在Laplace域的理论解. 采用基于Crump算法的Laplace数值逆变换方法分析了上述物理量的传播特征. Laplace数值反演结果表明, 线黏弹性材料对强间断球面应力波的初始响应为纯弹性响应, 强间断在传播过程中包含了几何衰减和本构黏性衰减, 应力、应变、粒子速度的衰减特性和粒子位移、应力、应变、折合位移势等物理量的稳态值同黏弹性球面波的理论预测一致. 折合速度势和折合位移势的峰值随波传播距离的增加逐渐衰减, 这与理想弹性理论给出的折合速度势和折合位移势不随传播距离变化的结论不同. 折合位移势的稳态值与介质的静态剪切模量成反比, 与稳态空腔压力成正比, 与空腔半径的三次方成正比.     

浅埋三舱管廊甲烷爆炸的地面响应规律

地下综合管廊可燃性气体爆炸事故时有发生,给地面人员的生命和财产造成了巨大损失。依托重庆市某地下综合管廊试点工程,基于物质点法,采用点火增长模型模拟浅埋管廊泄漏甲烷气体爆炸冲击管廊本体结构和围岩的过程,研究爆炸作用下地面压强与位移的响应特性。研究发现:泄爆作用下管廊及围岩会出现因接触面反射和折射产生的次生应力波,管廊横向方向次生波振幅随距起爆点水平距离的增大而增大,而管廊纵向方向产生的次生波振幅较小,且随距离增大变化较小;爆炸作用造成整体地面沉降,但在起爆点中心附近地面隆起,这种隆起由管廊本体结构破裂,气体直接冲击岩土体形成的剧烈隆起和管廊整体震动形成的轻微隆起两部分组成。     

激光冲击强化“残余应力洞”的形成机制

利用ABAQUS有限元软件进行了单个圆形高斯光斑的激光冲击强化数值模拟,分析材料表面光斑中心区域形成的"残余应力洞"现象,并通过分析材料的动态力学响应特征揭示了"残余应力洞"的形成机制。结果表明:在冲击波加载时,光斑边界处会产生很强的剪切应力,形成向四周传播的表面稀疏波和向材料内部传播的剪切波。当稀疏波同时传播到光斑中心,发生相遇、汇聚,使材料产生急剧的上下位移过程,造成冲击波加载塑性变形后的二次塑性变形。二次塑性变形中形成了较大的剪切塑性应变,并降低了冲击波加载阶段产生的轴向和径向塑性应变,使残余压应力降低,从而形成"残余应力洞"。     

不同应变率和碳纳米管掺量下混凝土的力学性质与能量演化特征

为研究应变率(加载速率)和多壁碳纳米管掺量对碳纳米管混凝土试样力学性质、能量演化规律及损伤破坏特征的影响,采用RMT-150B岩石力学试验系统,对不同应变率下不同碳纳米管掺量的混凝土试样开展了系列单轴压缩试验。试验结果表明：碳纳米管混凝土试样的延性随着多壁碳纳米管掺量的增加而增大;当应变率恒定时,多壁碳纳米管掺量为0.1%的改性碳纳米管混凝土的单轴抗压强度最大;当多壁碳纳米管掺量恒定时,应变率为5×10^-3 s^-1(0.5 mm/s)时碳纳米管混凝土试样的单轴抗压强度最大;当应变率较大时,在试样峰值应力处,碳纳米管混凝土的能量耗散值占总能量的28.29%;当应变率较小时,试样峰前阶段的能量耗散现象显著,峰值应力处耗散能占比平均高达37.34%;当应变率和多壁碳纳米管掺量均较小时,碳纳米管混凝土在破坏前所吸收的能量大量转化为耗散能,峰后试样能量释放率较小,表现为局部张拉与剪切混合破坏特征;当应变率和多壁碳纳米管掺量均较大时,碳纳米管混凝土在破坏前所吸收的能量主要储存为可释放弹性应变能,在破坏时混凝土试样的能量释放速率较高,碳纳米管混凝土试样破坏...     

基于多参量判据的深地下工程岩爆倾向性研究

依据岩石破坏的能量转化机制和单元整体破坏准则,提出了同时考虑岩石内部积聚的可释放应变能、岩石破坏所需的表面能临界值及脆性系数的多参量岩爆判据。基于三维离散元（3DEC）数值仿真平台,对上述岩爆判据进行了二次开发,研究了在不同埋深、不同侧压力系数下深地下工程在开挖扰动时的围岩主应力差、能量及岩爆倾向性响应特征。结果表明:围岩的主应力差较大值多集中在洞室拱顶,弹性应变能密度较大值多集中在洞室拱顶和拱脚处;随着埋深和侧压力系数的增加,岩爆判据指标的数值和较大值的分布范围均增大。为了验证所提岩爆判据和数值模拟方法的合理性与适用性,对锦屏二级水电站4^#引水隧洞岩爆灾害进行了数值模拟与分析,发现岩爆灾害强弱程度及发生位置与工程实际情况相符。研究结果为深地下工程岩爆灾害的预测预报和有效防控提供了理论支持和技术指导。     

不同应变率下两种岩石的压缩破碎特征试验研究

为了研究不同岩石在不同应变率下压缩时裂纹的产生规律及破坏模式,将石灰岩和红砂岩制成试件,研究其在不同应变率和受力模式下裂纹的形成模式。开展了两种岩石的准静态压缩和动态压缩试验,采用高速摄影机记录了裂纹的产生和破坏模式。对两种岩石试件的裂纹形态进行对比,基于岩石的物理性质、受力状态、能量演化分析,得到了在不同应变率下压缩时产生差异性的原因。结果表明:准静态压缩下岩石试件受压的破坏模式也会因应变率的不同而存在差异,并且破坏模式的差异对岩石试件的抗压强度将产生显著的影响;从能量演化的角度分析,入射能量的大小将会决定岩石试样动态抗压强度曲线是否出现起伏;动态压缩时,裂纹的周向扩展速度与岩石抗压强度呈正相关。     

基于八面体理论的岩石循环加-卸载本构模型及修正

探究岩石的受力特点及破坏特性是研究岩石地下工程安全性的关键,诸多学者都期望能在岩石本构模型的研究上取得突破性进展。在此背景下,提出了一种能够描述循环加-卸载条件下岩石的本构模型。首先,假设岩石的微元强度服从八面体剪应力理论并且微元破坏服从Weibull概率公式,将岩石本构中的损伤变量以及岩石微元强度表达式里包含的损伤因子进行本构变换,得到关于应力、应变等其他表现加-卸载下岩石损伤本构模型的参数,表示出岩石微元强度和损伤变量,再将得到的岩石微元强度和损伤变量代入所提出的岩石本构模型中,并进行等式变换得到一个函数表达式。通过将其与实验数据进行拟合对比分析,得出修正后的拟合参数,将其代入函数式中,得到损伤本构模型的修正式。最后将拟合参数进行必要的敏感性分析,得出各拟合参数的实际物理意义。     

地下强爆炸辐射流体动力学过程的二维数值模拟

为评估强爆炸的毁伤效应,利用流固耦合界面处理方法,考虑辐射输运引起的能量沉积过程,建立同时求解辐射流体力学方程和流体弹塑性方程的二维耦合计算方法,给出地下强爆炸时,爆室内辐射波传播、辐射能量沉积到岩土表层、岩土表层膨胀、冲击波在岩土介质中传播、爆室内高压压缩爆室壁、爆室壁振荡增大的完整物理过程.     

单轴应变对氮化铟电子结构及光学性质的影响

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波赝势方法,计算单轴应变下闪锌矿氮化铟的电子结构及光学性质.结果表明：施加应变会使带隙变窄.对于拉应变,随着应变增大带隙减小程度增大;对于压应变,随应变增大带隙减小程度减弱;且拉、压应变对带隙调控都是线性的.在能量区间4 eV~12 eV范围内施加应变时,氮化铟的吸收光谱发生红移,随拉应变程度增加,吸收光谱的红移进一步加大;随压应变增加,吸收光谱红移减弱;在该范围内,氮化铟的折射率、反射率随拉应变的增大而增加,随压应变增加减小;施加拉应变时能量损失函数峰值增大,施加压应变后能量损失函数峰值减小.通过施加单轴应变能有效调节氮化铟材料的电结构及光学性质.     

Fracture of diamond coatings by high velocity sand erosion

This paper describes a study of the behaviour of diamond coatings when subjected to solid particle erosion from sand particles. The coatings were deposited by chemical vapour deposition (CVD) onto tungsten substrates and tested using a high velocity air–sand erosion test facility. The erosion tests were conducted using particle impact velocities of between 33 and 268 m/s. Examination of the eroded test specimens showed that the principal damage features were circumferential cracks and pin-holes. Comparison with Hertz impact theory revealed that the measured circumferential crack diameters were more than double the predicted Hertzian contact diameter. Moreover, a trend of increasing circumferential crack diameter with coating thickness, which is not predicted by Hertz, was found. Instead, the crack diameters showed good agreement with those predicted by the theory of stress wave reinforcement, which is more commonly associated with liquid impact damage of brittle materials. During impact, the bulk compression and shear waves are reflected at the rear surface of debonded regions of the coating to return to the front surface and reinforce the Rayleigh surface wave, which generates a tensile stress. Where this stress exceeds the local tensile strength of the coating, a ring of cracks surrounding the area of impact is created. The results from the present study therefore suggest that stress wave reflection is responsible for the formation of the cracks at locally debonded regions of the coating. This hypothesis was supported by images acquired using scanning acoustic microscopy, which showed that circumferential cracks and pin-holes were only found on areas of the coating that had become delaminated by multiple particle impacts during the erosion tests.     

复合型切缝药包成缝机理及数值模拟实验

 采用爆炸力学、岩石断裂动力学对3种切缝药包进行理论分析表明,复合型切缝药包在切缝方向的剪应力是常规切缝药包的1.59倍左右;采用有限元软件ANSYS10.0/LS-DYNA对其进行数值模拟实验,通过对比3种装药结构的爆炸效果,表明复合型切缝药包在切缝方向的聚能效应最佳;通过对比复合型切缝药包切缝方向和垂直切缝方向的等效塑性应变,得出切缝方向塑性应变峰值是垂直切缝方向的2.93倍左右;通过对比远区围岩压力,得出复合型切缝药包在远区形成的爆炸压力最小,对围岩的损伤程度最小,能量利用最充分。     

Nonlinear elastodynamics in micro-inhomogeneous solids observed by head-wave based dynamic acoustoelastic testing

Dynamic acoustoelastic testing provides a more complete insight into the acoustic nonlinearity exhibited by micro-inhomogeneous media like granular and cracked materials. This method consists of measuring time of flight and energy modulations of pulsed ultrasonic waves induced by a low-frequency standing wave. Here pulsed ultrasonic head waves were employed to assess elastic and dissipative nonlinearities in a region near the surface of a solid. Synchronization of the ultrasound pulse sequence with the low-frequency excitation provided instantaneous variations in the elastic modulus and the attenuation as functions of the instantaneous low-frequency strain. Weak quadratic elastic nonlinearity and no dissipative nonlinearity were detected in duralumin. In limestone, distinction between tensile and compressive behaviors revealed an asymmetry in the acoustic nonlinearity and hysteresis in both the elastic modulus and the attenuation variations. Measured nonlinear acoustical parameters are in good agreement with values obtained by different techniques. Reversible acoustically induced conditioning modified the acoustic nonlinearity both quantitatively and qualitatively. It reduced tension-compression asymmetry, suggesting a nonequilibrium modification of the sources of acoustic nonlinearity. Additionally to the metrology of the acoustic nonlinearity, head wave based dynamic acoustoelastic testing may be a useful tool to monitor changes in the microstructure or the accumulation of damage in solids.     

水下近距爆炸作用下船体梁的动态响应特性

为研究舰船在水下近距爆炸作用下的结构响应及损伤模式,以相似准则为基础,设计了船体梁模型,选用4种不同能量结构的炸药,将其置于模型中部正下方爆炸,通过改变药量和爆距,实验研究了船体梁在近距爆炸作用下的动态响应特性。利用高速摄影技术观察了模型的整个运动过程,结合实验数据定量分析了结构的应变和加速度响应特性,比较了冲击波和气泡脉动对结构的损伤特点。研究发现:近距爆炸气泡脉动会使结构下方形成一个低压流体区,该低压区的存在会使模型受到中垂弯矩作用,并可能使其发生中垂弯曲破坏;随着爆距的增大,爆炸能量与损伤效果之间的相关性变得明显;近距条件下,为了发挥爆炸气泡的最大破坏作用,爆距应该接近于最大气泡半径。