冲击载荷作用下砂岩的动力学特性及损伤规律

在单次冲击和重复冲击载荷作用下,利用大直径霍普金森压杆(SHPB)试验装置,对砂岩的动力学特性进行试验研究。从岩石的细观裂纹扩展和能量吸收的角度,分析岩石的破坏过程。基于Weibull分布的统计损伤理论,计算试件的损伤度,并结合应力-应变曲线分析岩石损伤度的演化规律。研究结果表明:砂岩的动态抗压强度和单位体积吸收能均表现较强的应变率效应,分别与应变率呈指数函数关系和线性关系。在重复冲击试验中,随着重复冲击作用次数的增加,试件的弹性模量降低,屈服应变增加,屈服应力呈降低趋势。此外,损伤度随着应变的增加逐渐增大,在应力-应变曲线的峰值强度处,损伤度出现一个明显的拐点,即在微裂纹进入不稳定扩展阶段,岩石损伤度迅速增大。     

层状砂岩静动力学特性对比

文章为研究层状砂岩在冲击荷载和静荷载作用下层状砂岩的力学特性,对层理倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的试样进行冲击压缩实验和静力压缩实验。对2种试验的结果进行对比分析发现：随层面倾角增大,砂岩峰值强度先减小再后增大;试样冲击压缩时试样峰值强度较大;静载条件下,随角度的增大,弹性模量与强度均而先增加后减小再增加,冲击压缩时,随角度的增加,弹性模量的变化呈先增加再减小的趋势,强度的变化呈先减小后增大的“U”形;单轴压缩实验中,倾角为0°~75°试样发生剪切破坏,倾角为90°的试样发生劈裂和剪切混合破坏;冲击荷载作用下,试样在倾角0°~60°时破碎形状为块状,倾角在75°和90°时破坏形状为块状和片状混合。     

冲击载荷作用下电磁阻尼器动力学特性研究

为了探究电磁阻尼器在冲击环境下的工作特性,开展针对冲击载荷作用下的电磁阻尼器动力学特性研究。首先,根据电磁阻尼器存在的“恒阻尼-恒功率”的固有特性,基于单自由度系统振动模型,建立冲击载荷作用下电磁阻尼器阻尼响应模型,分析了冲击性质等因素与阻尼输出特性的匹配关系;其次,建立了电磁阻尼器动力学模型,并利用Simulink搭建了仿真模型进行分析;最后,研究分析了载荷匹配系数和衰减系数对电磁阻尼器阻尼输出特性的影响,提出了阻尼稳定输出的调整方法。研究结果表明：电磁阻尼器在实现对冲击载荷的制动过程中,会在恒阻尼输出平台中出现阻尼凹陷现象的突变,且其制动特性可以通过载荷匹配系数和衰减系数进行调整。     

静水压下热损伤大理岩动态拉伸特性研究

处于高温高地应力等复杂地质环境下的深部围岩,可能遭受爆破、地震等动态荷载影响,在岩石工程开挖区附近多导致张拉破坏,因此,研究热损伤岩石在不同地应力条件下的动态拉伸特性,在深部岩石工程中具有重要意义.选取均质细粒房山大理岩,利用自主研发的多功能分离式霍普金森压杆(SHPB)系统,进行4种温度(25℃、250℃、450℃、700℃)损伤梯度下,4种静水压环境(0 MPa、5 MPa、10 MPa和20 MPa)下,房山大理岩巴西圆盘试样动态加载试验.研究结果表明:①随着温度的增加,房山大理岩内部微裂纹增多,矿物成分由CaMg(CO3)2向CaCO3和Mg O转变,密度和波速均随着损伤温度的增加而逐渐降低;②静水压条件下试样拉伸应力曲线呈现为双峰特征,这主要是由于侧向围压的存在抑制了试样的劈裂,使试样拉伸破坏后继续承载造成的;③在固定围压环境下,各温度梯度下热损伤大理岩的动态拉伸强度均具有明显的率相关性;同时动态拉伸强度随着温度的升高而明显降低;④在固定温度下,围压的存在明显提高了房山大理岩动态拉伸强度,但拉伸强度的增幅随着围压的增加而减弱.此外,当试样的热处理温度超过450℃后,动态拉伸强...     

冲击荷载作用下层状充填体动力学特性及破坏模式

为研究冲击荷载作用下层状充填体的动力学特性,本文采用分离式霍普金森压杆(SHPB)系统及LSDYNA模拟软件,研究灰砂比、冲击速率和分层数对充填体动态弹性模量、静/动态峰值应力、动态强度增长因子及破坏模式的影响规律。研究结果表明：随分层数增加,充填体的动态弹性模量、静/动态峰值应力逐渐减小;随灰砂比增加,充填体的静/动态峰值应力逐渐增大;随冲击速率增大,充填体的动态弹性模量、动态峰值应力及动态强度增长因子逐渐增大;在冲击破碎过程中,完整充填体的破坏模式主要表现为剪切破坏,而层状充填体则于分层面处发生劈裂破坏;当冲击速率小于4 m/s时,未分层充填体沿试件表面发生轻微破碎,层状充填体则沿试件分层面处发生断裂;充填体内分层面的存在可降低充填体动态峰值应力。     

低温与冲击耦合作用下红砂岩力学特性试验研究

通过霍普金森压杆（SHPB）动态冲击试验,研究负温状态下红砂岩的动态力学性能,分析不同程度负温对岩石强度性能、损伤变量及能量耗散规律的影响;基于SEM电镜扫描获得的微观断口形貌,剖析较低负温下岩石动态力学性能劣化的原因.研究表明,较低的负温会使红砂岩出现冻伤,在高应变率加载下迅速丧失承载能力,动态力学强度急剧下降;负温相当于给红砂岩施加了预压应力,岩石整体趋于脆性,但抵抗张拉应力的能力得到了增强;根据断口形貌分析,红砂岩在-30℃后强度出现劣化.     

温度对三维编织复合材料冲击压缩性能的影响

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)测试了三维碳纤维/环氧树脂编织复合材料在20~300℃下的面外冲击压缩性能,分析了温度对三维编织复合材料冲击压缩性能的影响规律.研究结果表明:温度对三维编织复合材料的冲击压缩性能具有明显的影响,三维编织复合材料的面外压缩刚度、失效应力和能量吸收随着测试温度的增加而下降,失效应变则随着测试温度的增加而增加;三维编织复合材料的失效模式主要为剪切破坏,随着测试温度的增加,破坏越明显.     

砂岩和花岗岩的动态性能与能量耗散分析

利用直径100mm的分离式霍普金森压杆（SHPB）试验装置,对砂岩和花岗岩在应变率49~97s-1下进行了冲击压缩试验,对比分析了两种材料的动态力学特性和破坏形态.结果表明:两种材料的动态抗压强度,破坏程度和能量吸收随应变率的增大而增大,而花岗岩的能量耗散率则随着应变率增大而逐渐减少,呈现出较强的应变率相关性;初始弹性模量、峰值应变和砂岩的能量耗散率在3种应变率下的差别不大,应变率敏感性较弱.分析加载过程中两种试件能量吸收和耗散率的曲线,并从微观结构的角度对其动态破坏形态进行归纳分析.通过试验有效性的验证,证明试验较好地满足了均匀性假定.      

冲击荷载下钢纤维混凝土的细观数值研究

针对不同钢纤维体积率的钢纤维混凝土(SFRC)建立了包含骨料、砂浆、界面过渡区(ITZ)和钢纤维的细观数值模型,并通过模拟分离式霍普金森压杆(SHPB)试验分析钢纤维混凝土在不同钢纤维体积率下微裂纹的萌生、扩展直到贯通的全过程.模拟研究发现:钢纤维加入后延迟了混凝土试件的破坏,同时增加了试件的延展性和韧性.     

水灰比对水泥砂浆高应变率下动态抗压力学性能影响的试验研究

为了研究水灰比对高应变率下水泥砂浆动态抗压力学性能的影响,利用分离式Hopkinsin压杆(SHPB)装置对不同水灰比(0.4、0.5和0.6)的水泥砂浆试件进行了单轴动态抗压试验研究;应变率范围为(39.4～209.4)s-1。同时进行了静态加载试验。试验结果表明,水泥砂浆的单轴抗压强度随着应变率的增大而增大,随水灰比增大,动态抗压强度值随应变率提高而增大的越缓慢;动态抗压强度提高因子DIF随应变率的增加而增大的速度随着水灰比的增加而降低。高应变率下,水泥砂浆试件的峰值压应变与极限压应变随着应变率的增大而增大,水灰比对峰值压应变值与极限压应变值的影响不大。     

双掺粉煤灰-矿渣水泥砂浆动态力学性能试验研究

为了研究粉煤灰与矿渣对水泥砂浆动态力学性能的影响,用粉煤灰与矿渣替代40%的胶凝材料,其中矿渣掺量分别为0、10%、20%、30%、40%,采用?50 mm的分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)试验装置,对各组砂浆进行4种加载气压的冲击压缩试验,并测试砂浆的静态抗压强度。对不同冲击气压下的应力-应变曲线、动态强度增长因子(dynamic increase factor, DIF)和破坏形态进行分析。结果表明：随着矿渣掺量的增加,砂浆的静动态抗压强度均随之增大,掺量为30%～40%时已接近甚至超过对照组砂浆,但动态抗压强度提升幅度有减缓趋势;相同矿渣掺量下,砂浆的动态峰值应力、动态峰值应变、平均应变率和极限韧性均与冲击荷载大小呈正相关,有明显的应变率效应;平均应变率在91.15～158.34 s^-1时,掺30%～40%矿渣砂浆的动态抗压强度和DIF均高于对照组;冲击气压越大,砂浆破坏程度越高,掺30%～40%矿渣砂浆的碎块数量更少、尺寸更大。因此掺30%～40%矿渣砂浆具有更优越的抗冲击性能,这为工业废料的合理利...     

含水岩石动态抗压强度与微观机制

通过选取云南迪庆某地区红砂岩进行不同含水状态和不同脉冲强度下的SHPB试验和SEM试验,分别从宏观和微观角度研究含水岩石的动态强度特性及其破坏机制。结果表明:静态或动态单轴压缩时,随着含水率的升高,岩石的强度均降低;根据SHPB试验中的应力-应变全过程曲线,含水试样体积压缩变形明显,具有较高的峰值应变,峰后有应变软化特征,而干燥试样具有较高的峰值强度,峰后应力迅速跌落;根据各试样的动态抗压强度变化曲线,相同脉冲强度下试样的抗压强度随含水率的增加而降低,而相同含水状态时的抗压强度随脉冲强度的增加而增大;根据SEM图像,饱水试样颗粒结构疏松而干燥试样颗粒结构致密,冲击破坏机制饱水试样以初始微裂纹破裂和矿物边界或物相边界破裂为主,破坏时的动态抗压强度较低,而干燥试样还包括矿物颗粒直接剪断破裂,因此破坏强度较高。     

石灰岩的SHPB试验研究

利用大直径（φ75 mm）分离式Hopkinson 压杆装置（SHPB）实验技术对石灰岩岩石试件进行了循环冲击实验,得到了石灰岩岩石冲击过程中的动态应力-应变曲线,定量研究了冲击过程中的能量耗散. 同时利用岩石损伤的超声波测试技术对应力波作用下的石灰岩损伤进行表征,并探究了不同冲击条件下石灰岩损伤和应力波波幅、石灰岩损伤和耗能值之间的关系. 在子弹长度相同条件下,石灰岩损伤和应力波波幅呈指数关系,且在累次冲击实验中得到印证. 石灰岩损伤与耗能值之间为简单的线性关系.      

三轴SHPB岩石材料动力学特性试验研究的现状和发展趋势

岩石材料的三维动力特性试验研究是岩石冲击动力学中很重要的一个领域,也是目前研究的一个热点.本文论述了三轴SHPB岩石力学试验机的研制情况,对各类试验机的特点进行了比较.综合分析了三轴SHPB试验相关研究文献,总结了一些共有规律:①在围压一定的情况下,岩石的动态抗压强度会随着应变率的增加而增加,呈现出线性函数或者指数函数增加形式,并且脆性减弱,塑性显著增加;②在应变率一定的情况下,岩石抗压强度会随着围压的增大而增大,线性关系比较显著:③岩石动静组合加载时,在轴压一定时,岩石的动静组合抗压强度会随着围压的增大而增大,呈现出近似线性增加趋势;在围压固定时,抗压强度随着轴向静压的增大呈现出先增大后减小的趋势.由于SHPB试验装置和岩石材料本身的特点.目前在一些基本问题上.如加载应力波形、试样尺寸要求等方面.还没有统一的试验规范要求,很多试验结果只能进行定性比较.无法在统一尺度上进行定量分析.最后,针对该领域的发展趋势进行了论述,指出尽快建立一套国际性的建议试验方法是将来的一个关键问题.     

加载速率对岩石动态断裂韧度影响的试验

摘要：
采用CCCD SHPB(Central Cracked Circular Disk Split Hopkinson Pressure Bar)试验系统对花岗岩试件实施不同加载速率下的纯Ι型加载试验,测得平均载荷P(t)随时间的变化关系.将实测的载荷代入到推广的中心裂纹圆盘试件应力强度因子计算公式,获得花岗岩在不同加载速率下的动态断裂韧度,揭示加载速率与动态断裂韧度的相关性.试验结果表明,加载速率为50~350 GPa·m1/2/s时,随加载速率的增加,断裂韧度呈现出线性上升趋势.
关键词：
动态断裂韧度; 加载速率; 霍普金森压杆; 中心裂纹圆盘
中图分类号： TU 45
文献标志码： A     

光纤Bragg光栅在分离式Hopkinson压杆实验中的应用

光纤Bragg光栅用于高频应变的测试是一个重要研究课题．文中介绍了其高频解调原理,探讨了光纤光栅传感器用于分离式霍布金逊压杆(SHPB)实验装置中应变测试的相关问题；推导了弹性杆中传播的应力波σ与传感光纤光栅中光波相位的变化量Δ(?)之间的关系式,进而建立了含有光纤光栅传感变化量的弹性杆应力波计算公式；构建了基于光纤Bragg光栅的动态应变测试系统,对中心波长分别为1550nm和1545nm的裸光纤光栅传感器以及应变片,两种传感器粘贴在被撞击弹性杆(输入杆)表面测试应变的情形进行了比较研究,给出了实验结果．研究表明,光纤Bragg光栅在高频动态应变测量中具有很好的应用潜力和前景,测试方法和结论对于光纤Bragg光栅在高频动态应变的实际测试中具有积极意义．     

SHPB技术研究混凝土动态力学性能存在的问题和改进

根据实验和理论分析,目前分离式Hopkinson压杆装置(SHPB)间接测量混凝土材料动态应力—应变关系时主要存在三方面问题,分别是应力应变不均匀的限制、大尺寸SHPB压杆产生的应力波弥散及数据处理时应力波波头选取的影响。上述问题使得用传统SHPB方法在研究混凝土材料动态力学性能时的可靠性和精确性大大降低。因此,该文对上述问题的解决和改善进行了初步探讨。     

动态劈裂实验的数值模拟及讨论

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)可以进行混凝土类材料高应变率下的劈裂实验,目前公认的方法是通过透射波信号得到劈裂强度和相应的平均应变率.文章通过数值模拟对这种方法的有效性进行了讨论,发现在高应变率下,混凝土劈裂不满足中心开裂条件.因此上述基于弹性静力学平面问题的传统处理方法会产生一定的误差.文章还分析了不同试样尺寸对动态劈裂实验精度的影响.