基于HJC本构模型的煤岩SHPB实验数值模拟

利用有限元软件LS-DYNA,采用岩石的Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型,对煤岩霍普金森压杆(SHPB)实验进行数值模拟,再现了煤岩在冲击实验过程中的应力波形、应力波的震荡现象及试件的损伤过程,通过对比发现模拟结果与实验实测结果具有较好的相似性,HJC本构模型可以合理地再现煤岩受冲击破坏的动态过程。研究发现:1)试件均在周边开始破坏,破坏形式以沿轴向方向的劈裂破坏为主;2)当冲击速度为3 m/s左右时,煤岩的破坏受压缩和拉伸共同作用;当冲击速度为9 m/s左右时,煤岩的破坏主要受冲击压缩的作用;3)煤岩的破坏与应力峰值并不同步,当动载较低时,试件的破坏滞后于应力峰值;而动载较高时,试件的破坏超前于应力峰值。     

潘谢煤田13-1煤层煤岩冲击动力学性能及本构关系的建立

利用分离式Hopkinson压杆（SHPB）对潘谢煤田张集煤矿13-1煤层煤岩进行了不同应变率的冲击压缩实验,结果表明：煤岩动态应力-应变曲线表现出显著的应变硬化与应变率硬化等动态力学特性,煤岩峰值应力及动态弹性模量均随应变率提高而提高,得到了其动态强度与应变率的关系表达式。基于实验结果,通过改进朱－王－唐模型,建立了反映煤岩峰值应力前动态应力-应变关系的本构方程。通过数据拟合,获得了本构方程的相关参数,拟合参数表明：煤岩材料对高应变率的响应具有敏感性,在高应变率条件下气煤比无烟煤表征更明显的脆性特征,即气煤破坏应变更小。利用Fortran语言开发了VUMAT煤岩材料子程序,并对煤岩SHPB实验进行了数值模拟,模拟结果与实验结果吻合较好。     

基于SHPB加载过程的泥质粉砂岩LS-DYNA数值模拟研究

软岩的水稳定性及在冲击荷载作用下的动态损伤力学特征一直是学术界研究的热点问题。采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对泥质粉砂岩的SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)冲击过程进行了数值模拟,考虑了接触类型、冲击速度等变化对模拟结果的影响。结果表明,面面接触类型比较适用于带破坏准则的HJC材料模型;试样的破坏强度随着冲击速度的增加而逐渐增大,这与相关文献试验所得规律基本一致;试样的破坏是从边界处开始脱落,然后逐渐发展到试样的中间,且试样各单元的应力随着冲击速度的增加逐渐增大。     

单轴压缩下岩石动态细观损伤本构模型

目前岩石动态损伤本构模型未能很好地同时考虑临界应变及已有损伤对被激活微裂纹数目的影响,为此,基于微裂纹在单轴压缩荷载下的扩展机理,提出了新的岩石单轴压缩动态损伤本构模型。在假定岩石中被激活的微裂纹数服从Weibull分布的基础上,首先,通过临界应变对被激活微裂纹数目的影响,建立了考虑临界应变及微裂纹扩展长度的单轴压缩损伤本构关系;其次,根据微裂纹在单轴压缩下的翼裂纹扩展方程,考虑翼裂纹扩展过程中的惯性效应及翼裂纹扩展速度与应变率之间的关系,建立了单轴压缩下岩石动态细观损伤本构模型。最后采用数值算例对模型的合理性进行了验证。结果表明:随着Weibull分布参数k和m的增加,岩石动态抗压峰值强度分布减小和增加,且m的影响更为显著。随着微裂纹摩擦系数、岩石断裂韧性和应变率的增加,岩石动态抗压峰值强度增加;而随着微裂纹长度的增加,岩石动态峰值强度则降低。该结论与目前的研究成果较为一致,说明了该模型的合理性。     

突出煤的冲击力学行为及本构关系的研究

为了探索突出煤在冲击载荷作用下的破坏变形特征和动态本构关系,采用75mm分离式霍普金森压杆(SHPB)对淮南矿区B6煤层突出煤进行了不同冲击速度下的单轴冲击压缩实验,并结合现有的岩石类材料的本构模型,构建了反映突出煤动态力学特性的本构方程。研究结果表明:突出煤在冲击载荷作用下的破坏变形过程大体可概括为初始非线性阶段、屈服阶段、应变强化阶段和卸载破坏阶段4个阶段;所构建的包含损伤效应和应变率效应的动态本构方程能较好地反映突出煤在峰值应力前的动态应力应变关系。     

基于层叠模型组合煤岩体动态力学本构模型

为研究冲击载荷下组合煤岩的动态力学特征,利用75 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统,对不同组合比煤岩样(砂岩∶煤∶砂岩分别显1∶1∶1,2∶1∶1,1∶1∶2,1∶2∶2)进行不同速率(4.590～8.791 m/s)的冲击加载实验,获得了组合煤岩的动态应力-应变曲线,结合煤、岩本构的研究成果和层叠模型原理,并充分考虑了组合煤岩体在动态破坏过程中的应变率相关性和损伤特性,构建了7参数组合煤岩层叠本构模型。研究结果表明∶① 不同组合比煤岩的弹性阶段和塑性阶段持续时间不同,不同组合比煤岩的应力应变曲线前期均呈现出明显的非线性;② 组合煤岩动态冲击屈服强度随应变率的增大而增大,随煤的占比增大而减小;③ 构建的7参数组合煤岩层叠本构模型数值拟合曲线与实测动态本构曲线具有较好的一致性,拟合参数分析发现在中应变率(110.41～195.49 s-1 )冲击载荷作用下,组合煤岩体损伤软化效应超过应变率强化效应成为主导因素;④ 拟合参数范围和试样冲击破坏特征均表明,组合体试件主要破坏部位以煤体破坏为主,不受组合方式的影响。研究成果为进一步深入认识冲击地压等煤岩动力灾害发生机理和预测预防措施提供参考借鉴。由于组合煤岩冲击破坏SHPB实验条件有限,并未考虑围岩影响,围压下的组合煤岩动态破坏特性有待利用实验和数值模拟手段进一步研究。     

煤岩材料SHPB实验被动围压数值模拟研究

煤岩动力灾害严重威胁着煤矿的安全高效生产,研究煤岩材料在复杂应力状态下的动态力学性能对煤岩动力灾害的预测预防有重要意义。利用有限元分析软件LS-DYNA,采用岩石的Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型,对煤岩SHPB实验进行数值模拟,在模拟结果与实验结果相似性较好的基础上,对煤岩SHPB被动围压实验进行数值模拟。结果表明:围压套筒的弹性模量、厚度、摩擦因数及套筒与试件的间隙对煤岩材料的动态力学性能有显著影响。根据研究成果,在工程中可为煤柱增加一外加层,通过合理设计外加层的弹性模量、厚度、间隙及摩擦因数等参数,增强煤柱的抗冲击能力。     

弱胶结砂岩在冲击荷载下的动力学性能研究

为研究粉砂岩在冲击荷载下的动力学性能，选取内蒙古东胜煤田红庆河煤矿副井-680 m 处的弱胶结 粉砂岩，运用 Hopkinson杆测试技术进行不同冲击能量下的冲击荷载实验。通过实验数据分析，得出结论如下：选取 的弱胶结砂岩为侏罗系延安组粉砂岩，强度较低，均值为 39.08 MPa。遇水易崩解，且极易风化，内部颗粒较细、多为 泥质胶结。弱胶结砂岩冲击荷载条件下的峰值强度均较单轴抗压强度下的峰值强度有大幅度提高，提高值为单轴 抗压强度的 1.14 倍。但相比于中部地区砂岩，其动、静强度较低，动载强度提高值有限，达不到中部砂岩静载强度。 冲击荷载越大，应变率越高，峰值强度越大。应变率与峰值强度间存在良好的指数增长或线性增长关系。其应力— 应变曲线按照应力的增速大致分为 3个阶段：应力骤升阶段、应力—应变平缓上升阶段、应力陡然下降阶段。     

基于SHPB试验的多尺寸大理岩动态力学性能研究

为研究多尺寸大理岩的动态力学性能,基于SHPB试验采用理论分析、数值模拟、室内试验等方法深入分析了尺寸对大理岩动态力学性能的影响。通过室内试验和数值模拟,验证了LS DYNA中使用HJC本构模型研究大理岩冲击荷载作用下破坏过程、应力波形特征等的合理性;利用LS DYNA软件对同一长径比、3种不同直径的大理岩在4种不同冲击速度下展开研究。结果表明：大理岩动态强度随其直径的增加而减小,随冲击速度的增加而增大;在冲击压缩试验中,大理岩以沿轴向劈裂拉伸破坏为主,其破坏滞后于应力峰值,滞后于应力峰值的时间会随冲击速度的增加而减小;室内试验和数值模拟结果均表明,当压杆直径不变时,大理岩的尺寸对SHPB试验结果中大理岩动态强度具有重要影响,其动态强度随其长径比的增大先增加后减小。     

冲击荷载作用下含水泥质粉砂岩的损伤规律研究

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,对泥质粉砂岩进行了不同含水状态下的动态力学性能试验,分析了含水率变化对泥质粉砂岩动力特性的影响,并基于连续损伤理论及统计强度理论建立了泥质粉砂岩的动态损伤力学模型,得到了相应的损伤演化规律。研究结果表明,采用基于Weibull分布建立的动态时效损伤模型,其理论拟合曲线与实测曲线具有较好的一致性,损伤参数F0与弹性模量及冲击速度有一定的相关性,弹性模量越大,损伤参数F0也越大,含水率的变化对岩石动力特性具有较大的影响。     

冲击荷载作用下的煤岩动力学特性及本构模型

为了研究煤岩的动态破坏特征和动力学损伤特性,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)和应力加载系统,对煤岩试样进行了冲击试验和单轴压缩试验;根据应力-应变试验曲线的特征,在过应力模型上,应用连续损伤理论与统计强度理论,建立了适合煤岩动力学特性的过应力损伤模型。结果表明:动载作用下,当应变率较小时,煤岩破碎方式与静载作用时间具一定的相似性;随着应变率的增大,动载破坏强度显著增大,动态模量先增大后保持不变,塑性变形先增大后减小,应力-应变曲线具有明显的塑性流动特性。采用建立的煤岩过应力损伤模型本构方程对试验曲线进行拟合,通过两者的对比,验证了模型的正确性。     

西北人工冻结红砂岩的动态时效损伤模型

为了研究西北人工冻结红砂岩的动态力学特性,采用SHPB试验装置对-15 ℃红砂岩进行单轴冲击压缩试验。对SHPB试验中5组有效数据展开分析,得到了5条不同应变率下的动态应力应变曲线。基于损伤演化及元件模型理论,将冻结红砂岩视为由具有弹性特性、损伤特性、塑性特性及黏滞特性的非均匀质点组成,建立了包含损伤体元件、黏壶及弹簧的时效损伤模型。〖JP2〗研究发现:试件强度与平均应变率呈指数相关,当试件平均应变率较小时,试件的强度变化平缓,在高平均应变率下,试件强度急剧增大,当平均应变率为120.73 s-1时,应力峰值高达84.96 MPa,接近静态抗压强度44.1 MPa的2倍;时效损伤模型较好地反映了在一定范围内的冻结红砂岩应力应变关系。     

动荷载下峰后破裂砂岩能量耗散特征研究

采用霍普金森压杆(SHPB)实验装置对经静态压缩制备的峰后破裂砂岩进行单轴冲击试验。基于SHPB试验能量理论,研究峰后破裂砂岩在动态破坏过程中的能量耗散特征,并与完整砂岩进行对比分析。研究结果表明:动荷载作用下峰后破裂砂岩单位体积吸收能与入射能呈线性关系,且峰后破裂砂岩单位体积吸收能对入射能的敏感性低于完整砂岩;峰后破裂砂岩的破坏形态与试样吸收能量的大小相关,且存在一个吸收能量值使得峰后破裂砂岩和完整砂岩破坏程度的相对性发生改变。     

不同冲击强度下的砂岩动态力学特性试验研究

为研究冲击强度对岩石动态力学特性的影响,以改装的霍普金森压杆(SHPB)装置对砂岩进行了不同冲击强度下的动力学试验,测得了动态应力-应变曲线和应力波波形。然后,基于试验数据分析了冲击强度对砂岩强度、应变特性以及能量耗散规律的影响。结果表明:动态应力-应变曲线未出现压密阶段直接进入弹性阶段,冲击强度越大,应力-应变路径越长;岩样以破碎形态为主,破碎程度与冲击强度呈正相关;随着冲击强度增大,平均抗压强度和平均应变呈线性增长,而平均应变率呈指数增长;平均抗压强度和平均弹性模量随平均应变率呈线性增加。冲击强度越大,入射能和反射能值显著提高而透射能变化不明显,透射系数和反射系数分别呈幂函数增长和对数降低。砂岩吸收能随冲击强度和平均抗压强度分别呈指数关系和对数关系。由此表明,不同冲击强度对砂岩应变特征、强度特征以及能量耗散具有显著影响,适当增加冲击强度可有效提高砂岩吸收能,进而提高破岩效果。     

含水率对红砂岩瞬时和蠕变力学性质影响的试验研究

水是影响岩体工程稳定性的重要因素。为了全面分析水对岩石瞬时及蠕变力学特性的影响,设计了两类试验：单轴压缩强度试验和蠕变试验。通过吸水试验分析红砂岩的吸水特征,并以此为依据制备不同含水率的标准试件。首先对9组不同含水率的试件进行单轴压缩强度试验。利用体积应变法和LSR法(Lateral Strain Response)确定红砂岩在单轴压缩条件下的4个特征应力：闭合应力、启裂应力、损伤应力和破坏应力, 从而得到了含水率与红砂岩力学参数的定量关系。结果表明,应力应变曲线上各阶段特征应力随含水率增大而服从负指数规律衰减,并且当试件达到饱和后,各特征应力趋于稳定。由于高孔隙率的特性,导致红砂岩的特征应力在短时间内显著降低。启裂应力σi与闭合应力σc之差随着含水率的增加而减小。这说明水的增加导致红砂岩非线性特征增强。强度和弹性模量损失系数随含水率呈指数函数增长的趋势,饱和红砂岩的强度和弹模总损失系数分别是0.484和0.334。此外,将5组不同初始含水率的试件持续浸在充满水的环境试验箱中,开展荷载与水共同作用下的蠕变试验,从而得到长期水环境对红砂岩蠕变力学特征的影响。结果表明,试件的瞬时应变和稳态应变率随含水率增加呈指数形式增大,蠕变应变和破坏时间随含水率增加而减小。当含水率趋于稳定时,红砂岩的蠕变特性仍然有显著的变化,其原因在于环境中的水沿蠕变新生成的裂缝进一步运移到裂缝尖端,初始裂纹进一步扩展。实验结果不仅强调了短时间内水对高孔隙率岩石瞬时力学性质的急剧弱化作用,而且强调了环境中的水对饱和岩石蠕变力学性质的持续影响作用。此外,实验数据和拟合方程将为岩体工程长期稳定性的评估提供一定的参考价值。     

单轴压缩下煤岩损伤研究

根据前人对煤岩的实验研究,采用岩石强度随机统计分布假设,建立了能够较好的反映煤岩单轴压缩状态下的初始压密段和残余强度的分段损伤本构方程,并且给出了其中参数的确定办法。利用刚性实验机进行了煤岩单轴压缩实验,对应力-应变曲线与损伤的关系进行了分析。利用实用复合形法对所提的损伤本构方程进行了参数求取。拟合结果表明理论和实验结果符合较好。     

轴压和循环冲击次数对砂岩动态力学特性的影响

利用岩石动静组合加载SHPB试验装置,研究不同轴压的岩石在循环冲击过程中动态强度和变形特性。首先,对具有不同轴压的岩石进行循环冲击;进而考察了在循环冲击过程中岩石的典型动态应力-应变曲线;最后,研究轴压和循环冲击次数对岩石动态强度和变形特性的影响。研究结果表明：随着循环冲击次数的增加,加载段和第2卸载段的变形模量、峰值应力、恢复的应变与峰值应变之比和恢复的应力与临界卸载应力之比值逐渐降低;平均应变率、峰值应变、第1卸载段的变形模量以及单位体积吸收能逐渐增大。当轴压为其单轴抗压强度的22%,51%和65%时,岩石对外部冲击载荷的抵抗能力与冲击次数间的关系整体上呈现“平缓发展-急剧下降”,当轴压为0或为其单轴抗压强度的87%时,岩石抵抗冲击的能力随冲击次数的增加基本呈现匀速降低的趋势。当轴压为其单轴抗压强度的22%时,抵抗外部循环冲击载荷的能力最高。