不耦合装药下岩石爆破块体尺寸的分布特征

通过不同装药结构下立方体红砂岩小型爆破实验,分析了岩石的损伤程度和破坏模式,同时引入三参数极值分布函数量化岩石爆破块体尺寸分布特征。此外,根据岩样R1的爆破实验结果进行了有限元数值模型验证,基于验证的模型展开了岩石单孔爆破损伤破裂行为的模拟,讨论了径向、轴向不耦合系数和耦合介质对岩石破碎效果的影响。结果表明,三参数极值分布函数可以较好地表征岩石爆破后破碎块体尺寸分布特征,块体平均尺寸随着不耦合系数的减小呈线性降低趋势,且破碎块度趋于均匀。通过比较不同耦合介质装药时岩石内部的能量分布特征和破坏体积发现,水作为耦合介质时,爆炸能量的传递效率最高,其次分别是湿砂和干砂,空气的能量传递效率最低。结合等效波阻法计算的理论应力透射系数可以很好地反映不耦合装药时岩石的破碎程度。     

径向膨胀Al2O3陶瓷环动态拉伸破碎的实验研究

利用基于Hopkinson压杆技术设计的冲击膨胀环实验装置,开展了不同撞击速度下Al2O3陶瓷圆环的冲击拉伸和破碎实验研究.实验结果显示:随撞击速度增大,陶瓷环破碎产生的碎片数目增加,断口分析表明绝大多数的断口都是沿径向断裂,说明陶瓷环的破碎由膨胀环的径向拉伸应力产生;利用实测入射杆和透射杆的应力波形,获得陶瓷环发生破碎的时间和载荷信息,在一定的近似假定下,初步估算陶瓷环的表观动态拉伸强度介于160 Mpa和250 Mpa之间,比静态强度130 Mpa显著提高.     

大体积混凝土水下接触爆炸破坏分区特征分析

为探究大体积混凝土水下接触爆炸破坏分区特征,基于水中爆炸冲击波与混凝土的相互作用过程分析,建立了综合考虑爆炸冲击波冲击破碎和爆轰产物准静态压拉致裂机制的混凝土爆炸破坏分区计算方法,并与有限元数值模拟和试验实测数据开展对比验证。结果表明：与空中接触爆炸相比,水对爆轰产物膨胀起抑制作用,使得爆炸荷载持时增加、作用于周围介质的冲量增大;采用建议的环向压碎判据计算破碎区,并将开裂区分为动态压裂、准静态压裂和准静态拉裂区的计算方法能够很好地预测混凝土水下接触爆炸破坏分区范围;炸药类型和起爆水深一定时,混凝土的抗拉强度和抗压强度比对开裂区范围起重要影响。     

小不耦合系数装药爆破孔壁压力峰值计算方法

基于轮廓爆破孔壁压力峰值计算方法的相关研究,充分考虑空气冲击波的传播与爆轰产物膨胀的过程,理论分析了小不耦合系数装药爆破过程中空气冲击波与炮孔壁的相互作用,建立了三维空气介质径向不耦合装药单孔爆破有限元模型,研究了工程爆破中常用的多种小不耦合系数装药组合工况下,炸药单点起爆后的炮孔壁压力峰值,并获得了相应工况下的孔壁压力峰值较爆生气体准静态等熵膨胀压力的压力增大倍数。结果表明:小不耦合系数装药爆破过程中,爆轰产物参数会对空气冲击波波后物质参数产生显著影响,揭示了小不耦合系数装药爆破与轮廓爆破在孔壁压力峰值计算方法上的本质差异;柱状装药结构爆轰波沿轴向传播使得空气冲击波撞击炮孔壁时存在叠加效应,孔壁压力峰值也相应增大,通过统计分析不同炸药类型、不同岩石类型工况下压力增大倍数与不耦合系数的关系,发现压力增大倍数随不耦合系数的增大近似呈线性增长;基于理论推导结果及常用爆破孔壁压力峰值计算形式,综合考虑炸药性能、孔壁岩石介质条件、不耦合装药系数对空气冲击波撞击炮孔壁后压力增大倍数的影响,提出了不耦合系数较小时爆破孔壁压力峰值计算方法。     

燃爆冲击作用下岩石初始破坏区形成机制与主控因素

为揭示燃爆冲击作用下井周岩石破坏区的形成机制,并分析影响初始破坏区(破碎区和初始裂隙区)的主控因素,开展了两种岩样在不同加载速率下的冲击破坏实验, 分析了岩石冲击破坏模式及岩石对加载速率的响应, 借助基于Von Mise准则建立的岩石冲击破坏的破碎区和初始裂隙区计算模型可知:加载速率低于190 GPa/s时,可依据冲击峰值压力引导的应力分布确定破碎区和初始裂隙区作用范围;燃爆压裂在近井地带主要产生破碎区和裂隙区,破碎区直径为井眼直径的1~3倍,初始裂隙区直径为井眼直径的5~7倍;冲击载荷作用下,初始破坏区与加载速率、脆性指数呈正相关,且受脆性指数影响更显著。研究结果可提高对燃爆压裂过程中岩石的破坏模式及其主控因素的认识深度,为燃爆压裂冲击条件设计提供指导。     

耦合装药条件下不同孔径孔壁冲击压力的阶段特征

为合理减小振动并确定单孔破坏的范围，需掌握不同孔径孔壁的冲击压力规律。通过分析孔壁在爆轰作用下的运动过程，构建了孔壁在受到爆炸冲击波时不可压缩流体动力膨胀、破岩粉碎和动态膨胀等3个阶段的简化计算模型，分别确定了各阶段的孔壁压力与时间的分段函数。基于理想气体膨胀方程，确定了孔壁峰值压力的理论放大系数，在数学上统一了孔壁压力变化的阶段特征，得到了炮孔耦合装药孔壁冲击压力孔壁压力特征变化曲线。依托LS-DYNA数值模拟软件和现场工业模型试验，采用数值分析和超动态应变测试模型试验的方法对计算模型结果进行对比分析，得到了耦合装药条件下5种不同孔径（51～200 mm）的孔壁数值分析历程点的冲击压力变化曲线，试验验证了孔壁峰值压力的理论放大系数，系数误差控制在了0.7%～6.4%之间。对比分析了76、90 mm两种特定工况下的理论计算、数值分析历程点和模型试验测点数据，结果表明：理论分段函数能够有效拟合数值分析和模型试验数据，峰值压力的误差分别为6.8%、4.9%，分段时间的误差分别为7.6%、4.8%。     

实现金属环动态拉伸的电磁加载技术研究

描述了实现金属环动态拉伸的电磁膨胀环实验方法,改进了快速放电和短路开关两个实现自由膨胀的关键问题,为研究材料本构关系、动态断裂和破碎提供了一条简单而实用的加载途径。主回路电流由Rogowski线圈测量获得,金属环的膨胀速度由狭缝扫描相机测量得到,并由电动力学方程可计算出金属环中的流动应力、应变、应变率以及温升等动态力学参数。     

不同节理角度和地应力条件下岩石双孔爆破的数值模拟

在采矿工程、地下交通工程和水利水电工程等岩体开挖工程中,爆破法仍是一种主要的破岩方法. 实际天然岩体中存在的裂隙、节理等不连续面和所处的地应力场环境,都会对爆破荷载传播过程和最终的破碎效果产生重要影响. 本文把岩石爆破视为爆炸应力波动态作用和爆生气体压力准静态作用两个独立的先后作用过程,同时考虑初始应力场的静态作用,建立岩石爆破的力学模型. 基于渗流方程描述爆生气体在爆生裂纹中的传播过程,进而基于流固耦合理论实现爆生气体准静态压力对裂纹尖端的力学作用. 爆炸应力波主要在孔周引起压碎区和径向微裂纹区,随后爆生气体压力楔入径向裂纹尖端,促使裂纹进一步扩展,形成径向主裂纹. 数值模型可以再现孔周压碎区、径向微裂纹区、径向主裂纹区萌生、扩展的完整演化过程. 针对不同节理角度和地应力条件下岩石双孔爆破过程的数值模拟结果表明,初始地应力场的压应力作用不利于爆生裂纹的萌生与扩展,但节理的存在对裂纹的扩展具有明显的导向和促进作用,有利于爆生裂纹沿节理面方向的扩展.      

花岗岩动静态压剪复合加载实验研究

岩石为天然含有微裂纹微孔洞等缺陷的复杂介质,其在复杂应力状态,尤其是在压剪应力状态下的性能研究,对工程应用有着十分重要的意义。本文利用双斜面垫块改进现有装置对花岗岩进行了动静态下的压剪复合加载实验,其中静态实验基于MTS材料试验机,动态实验基于分离式Hopkinson压杆（以下简称SHPB）,由此得到不同压剪载荷联合作用下花岗岩的静态和动态力学性能。通过改变倾斜端面的角度就能够得到岩石在不同压剪加载路径下的力学性能,由此可以得到岩石的静动态破坏面。结果表明:花岗岩的破坏强度具有明显的加载速率效应。本研究为探讨岩石在复杂应力状态下的力学性能提供了新的方法。     

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。     

Stress analysis of borehole subjected to fluid injection in transversely isotropic poroelastic medium

This paper proposes an analytical solution, using the combined Laplace–Fourier integral transform technique, for a borehole drilled in transversely isotropic porous medium and subjected to a fluid discharge over a finite length of its surface. Especially, the coupled boundary condition between the total radial stress and injection-induced pore pressure at the borehole surface is addressed in a rigorous fashion, which leads essentially to a set of dual integral equations that can be solved through standard numerical procedure. The study focuses on the calculation of stress fields around the borehole with particular attention given to the time-dependent effective tangential stress and pore pressure distributions. Numerical solutions are presented for verification with those recently derived for the limiting case of an isotropic medium and, more importantly, to investigate the influences of material anisotropy on the stress responses of the borehole and porous medium.     

轮廓爆破孔壁压力峰值计算方法

爆破孔壁压力峰值是进行非流固耦合爆破动力响应分析的重要参数。针对轮廓爆破孔壁压力峰值的计算方法问题,理论分析了爆炸冲击波与弹性壁面的相互作用,推导了空气冲击波与弹性壁碰撞后压力增大倍数的理论解,并采用流固耦合动力有限元数值分析方法,研究了3种岩体介质、2种轮廓爆破常用炸药、5种常用不耦合系数、2种轴向装药系数工况下轮廓爆破的冲击波碰撞压力增大倍数和炮孔壁压力峰值。结果表明:轮廓爆破时,爆炸冲击波与孔壁碰撞后压力增大倍数并不是常值,与炸药特性、孔壁介质条件、不耦合装药系数等因素相关,孔壁压力峰值也与上述因素密切相关。基于模拟的孔壁压力峰值数据的统计分析,并结合理论推导成果及常用爆破孔壁压力峰值计算形式,提出了一种新的轮廓爆破孔壁压力峰值计算方法。     

多孔线性控制套筒致裂效果影响因素分析

针对坚硬难垮落顶板弱化问题,在分析多孔线性控制套筒致裂机理的基础上,建立700mm×300mm×400mm试块。通过套筒致裂压力及钻孔孔壁周围应变变化情况,分析孔壁周围应力大小、分布及应力集中现象,研究钻孔直径、孔间距、套筒致裂压力对应力集中现象的影响,同时分析这三者对裂纹扩展方向的影响,得出套筒致裂最优法。试验结果表明:(1)套筒致裂效果受钻孔直径、孔间距和套筒压力等综合因素影响,采用大直径、大间距的布孔方式可获得较好的致裂效果;(2)多孔线性控制致裂试验的张性裂缝扩展方向主要沿着各钻孔中心连线方向;(3)钻孔直径30mm、间距300mm的试块致裂压力为18.6MPa,远大于顶板岩体抗拉强度,将套筒致裂法应用于顶板弱化是可行的。本研究对解决采空区坚硬顶板大面积悬顶具有理论意义和应用价值。     

不耦合装药爆破孔壁压力峰值的实验研究

不耦合装药爆破孔壁压力峰值是控制岩体轮廓成形质量及进行非流固耦合爆破振动响应数值模拟分析的重要参数,本文采用实验方法研究了不耦合装药爆破的孔壁压力峰值:利用材质为20钢的无缝薄壁钢管模拟不耦合装药爆破炮孔,以高灵敏度、高精度的应变片为传感器,选用超动态应变仪采集钢管内置柱状炸药卷爆炸过程中钢管外壁产生的环向应变,应用动荷载作用下薄壁圆筒的动力响应计算方法,反演分析采集的钢管外壁环向应变数据,得到了爆破过程中空气冲击波作用于钢管内壁的冲击荷载压力峰值,间接测量了不耦合装药爆炸后的孔壁压力峰值。实验获得了6种不耦合装药工况下的爆破孔壁压力峰值测试数据,并计算了相应工况下实验值较准静态爆生气体压力的增大倍数,拟合结果表明压力增大倍数随不耦合系数的增大近似呈线性增长。同时也分析了部分试验工况下爆炸测试结果不理想的原因,研究成果可为轮廓爆破孔壁压力峰值的测试与计算提供参考。     

Influence of flaw inclination angle and loading condition on crack initiation and propagation

With reference to the experimental observation of crack initiation and propagation from pre-existing flaws in rock specimens under compression, the influences of pre-existing flaw inclination angle on the cracking processes were analyzed by means of finite element method (FEM) and non-linear dynamics method. FEM analysis on the stress field distribution induced by the presence of a pre-existing flaw provided better understanding for the influence of flaw inclination angle on the initiation position and initiation angle of the potential cracks. Numerical analysis based on the non-linear dynamics method was performed to simulate the cracking processes. The resultant crack types, crack initiation sequences and the overall crack pattern were different under different loading conditions. Under a relatively low loading rate or a small magnitude of maximum loading pressure, tensile cracks would tend to initiate prior to shear cracks. In contrast, under a relatively high loading rate and a large magnitude of maximum loading pressure, shear cracks would tend to initiate prior to tensile cracks instead.     

Drag load modeling for multiple fractures in a borehole

Fracture mechanics modeling of multiple fractures generated by a tailored pressure pulse in a borehole is a complex, coupled gas dynamics/solid mechanics problem. The specific problem addressed in this paper is the determination of crack tip stress intensity factors for arbitrary drag loadings along the crack surfaces. Fracture networks containing an even number of equally spaced radial cracks of alternating lengths are used as models. Finite element calculations and integration schemes similar to those used for arbitrary normal loads along the crack surfaces are performed. Stress intensity factors arising from the drag loadings tend to increase with increasing crack length ratios. Thus, effects of drag loading may be significant in determining crack tip stress intensity factors for a multiple fracture network generated by a controlled gas pulse.     

Experimental and FEM study of windshield subjected to high speed bird impact

Both experimental and finite element model (FEM) results are presented for the dynamic strength behavior of windshield subjected to bird impact. The experimental data taken from a series of high speed photographs are compared with the numerical results predicted by using FEM in which the windshield was modeled entirely with solid elements and the bird body was approximately simulated by an elastic-plastic material with failure element behavior. Effective plastic strain and element pressure were adopted as the failure criteria and once the pressure or the effective plastic strain of an element reached the critical value, the element would lose the tensile resistance capability completely. The deflection and stress distribution in the windshield were obtained. It is shown that the result from the finite element analysis agrees with those from the full-scale bird impact test. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10272011)     

外包钢-砼组合梁纯扭作用下抗扭刚度的实验及数值模拟

为了研究新型外包钢-砼T形截面组合梁在纯扭作用下的变形性能,设计了5根不同配箍率的的足尺悬臂组合梁。通过对5根悬臂梁的抗扭性能的实验研究,得到了组合梁的扭矩-扭率关系曲线。利用有限元分析软件ANSYS,对组合梁的抗扭性能进行了非线性有限元分析,得到了混凝土与外包钢在极限阶段的应力云图。根据实验以及有限元结果分析了组合梁在整个加载过程中扭转刚度的变化。基于现行砼结构设计规范,提出了组合梁从开裂到极限阶段抗扭刚度的计算公式,可供组合梁受扭设计参考。把有限元模型和公式的计算结果与实验结果进行比较,三者吻合较好。     

Experimental investigations and modeling of volume change induced by void growth in polyamide 11

Polymers are known to be sensitive to hydrostatic pressure. The influence of stress triaxiality ratio on cavitation and damage has been highlighted in numerous studies. This paper proposes experimental investigations allowing the control of both the stress triaxiality ratio and the void distribution via microscopic observations of microtome-cut surfaces from interrupted tests. With the help of a finite element code, the Gurson–Tvergaard–Needleman model was calibrated by using these multi-scale experimental data. Then comparison between both numerical and analytical models and experimental data was performed. Bridgman formulae were reported to be valid up to the peak load. Moreover, a better understanding of the time evolution of significant parameters such as the porosity (volume change) and the stress triaxiality ratio (hydrostatic pressure), was highlighted.