爆炸荷载作用下动态裂纹扩展试验研究

应用爆炸加载的透射式动焦散线测试系统,分析了爆炸裂纹的扩展规律。用有机玻璃试样直观、形象地研究了爆炸加载和卸载过程破裂时的应力(应变)场、成核区(阴影区)的动态特征变化,分析了爆炸裂纹发展、止裂及破坏模式、动态应力强度因子的变化规律,精确得到了材料在爆炸荷载作用下的止裂韧性值。确认了早期爆炸裂纹是在爆轰压力作用下产生快速扩展裂纹,裂纹尖端形成应力集中和积聚较大的应变能,爆炸裂纹中后期的焦散形式与一般动态焦散接近相同。初步提出了爆炸裂纹的大部分扩展是应变能释放的动态卸载破坏的结论。     

聚能药卷的爆炸裂纹定向扩展过程试验研究

应用透射动焦散线试验研究爆炸裂纹定向断裂超动态破坏力学特征。试验结果表明,爆炸主裂纹断口特征为典型的拉伸断裂,爆炸裂纹尖端的动态应力强度因子、裂纹扩展速度、扩展长度的变化趋势几乎相同,爆炸主裂纹主要在60～200μs完成,极限动态应力强度因子很少超过1.5MN/m3/2,爆炸裂纹止裂韧性约为0.3MN/m3/2。聚能药卷具有明显的爆轰波卸载效应和聚能方向爆生气体射流效应,高压爆生气体射流的"气楔效应"是聚能方向压缩径向裂纹进一步扩展的主要驱动力,同时抑制了非聚能方向压缩径向裂纹的发展。双孔点射流聚能药卷、双缝线射流聚能药卷都能实现岩石定向断裂爆破,形成良好的爆破断裂面,多缝线射流聚能药卷适用于高瓦斯煤层增透防突的深孔预裂爆破。     

不同药量的切缝药包双孔爆破裂纹扩展规律试验

 采用数字激光动态焦散线系统,研究有机玻璃板中不同药量的切缝药包双孔爆破主裂纹及分支裂纹的扩展规律。结果表明,切缝药包爆破主裂纹以I型拉伸断裂模式为主,爆破主裂纹难以穿过邻近炮孔的预制裂缝继续扩展;分支裂纹是预制裂缝尖端在爆破应力波衍射拉伸形成应力集中而萌生、起裂,相向分支裂纹分别扩展,最终呈“牵手状”贯通、止裂,分支裂纹贯通后扩展速度及动态应力强度因子急剧降低。对比不同药量模型试验结果发现,小药量炮孔相比大药量炮孔的爆破主裂纹、分支裂纹扩展速度及动态应力强度因子均较小,分支裂纹起裂时间较迟,且稳定扩展时间、扩展长度也较短,延长了分支裂纹贯通时间。相同药量两炮孔爆破主裂纹及分支裂纹断裂力学特征量近似相等,单炮孔的分支裂纹不贯通。试验研究为分析爆破裂纹扩展物理过程提供了参考。     

落锤冲击气囊施加均布动荷载的试验方法

在结构构件上施加均布冲击(爆炸)荷载一直是动力试验领域的难题。提出了一种落锤冲击气囊施加均布动荷载的试验装置,和一个双自由度弹簧阻尼冲击加载简化分析模型;给出了该模型的基本力学方程、边界条件和求解方法,并进行了有限元验证;建立了所提出冲击加载试验装置的精细化有限元模型,分析了构件上各受荷区域的荷载均布情况,验证了所提出装置的可行性。基于所建立的简化分析模型,讨论了刚度、荷载作用时间和阻尼比等关键参数,对构件上动荷载的影响,并给出了基本规律。计算结果表明,在选定合适的参数后,落锤冲击气囊试验装置能够较好地模拟构件上的均布动荷载,为实验室中进行爆炸冲击试验提供了一种可能。     

冲击荷载作用下含裂纹的钢筋混凝土梁动力响应及裂纹扩展分析

含裂纹的钢筋混凝土梁在冲击荷载作用下的冲击响应是一个复杂的非线性过程。采用最大主应力准则作为混凝土的开裂准则。利用ABAQUS建立了冲击荷载下含裂纹的钢筋混凝土梁的三维模型,其中,混凝土梁采用三维实体单元,钢筋采用桁架单元,不考虑钢筋与混凝土之间的黏结滑移。通过沙漏能控制确保数值模拟方案的精确性与合理性。通过改变冲击速度、冲击块质量和配筋率等参数,得到这些参数对冲击作用下含跨中裂纹的钢筋混凝土梁的动力响应与裂纹扩展的影响,揭示冲击响应与裂纹扩展随参数变化规律。结果表明:随着冲击速度、冲击块质量的增大,钢筋混凝土梁激起的响应越剧烈;配筋率的提高可以增加钢筋混凝土梁的抗冲击性能;裂纹为非均速发展,前期裂纹发展速度较快,后期扩展速率较慢;提高配筋率可以抑制裂纹的发展。     

爆炸冲击荷载作用下高压输电塔钢管构件抗爆性能试验研究

钢管材料易采购、易加工、易安装、构造体型较好,迎风体型系数较小,因而在高压输电塔结构中得以推广使用,研究爆炸冲击荷载作用下钢管构件的抗爆性能具有重要的理论意义和工程实用价值。通过各比例距离下静爆试验,研究爆炸冲击荷载作用下钢管构件迎爆面、背爆面各测试点的超压数值,进一步掌握爆炸冲击波的传播规律和对钢管构件的作用特点。临近场爆炸时,钢管构件中部呈现出撕裂、局部屈曲的破坏形态;近场爆炸时,钢管构件主要受爆炸冲击荷载第一个波阵面正压的影响;远场爆炸时,钢管构件除受第一个波阵面影响外,地面反射的冲击波也对构件产生影响。     

循环冲击荷载作用下岩石损伤规律的试验研究

为研究岩石在循环冲击荷载作用下的损伤规律,设计了3组试验,考虑了围压、荷载冲量大小和冲击次数对岩石损伤程度的影响。通过对大理石试件在压力试验机上的模拟冲击加载,测试受冲击后试件轴向超声波波速,并用超声波波速变化量描述试件的损伤度,得出了大理石试件的冲击损伤度与围压大小、荷载冲量大小和冲击次数的相关性。结果表明:在围压相同的情况下,岩石的循环冲击损伤与冲击次数和荷载冲量有关;在荷载冲量相同时,岩石的循环冲击损伤与冲击次数和围压有关;围压的存在提高了岩石的冲击强度,降低了岩石的损伤演化速率;围压效应的显现与冲击荷载的等级有关。     

爆炸荷载下缺陷岩体的动态响应

 根据试验结果建立在爆炸荷载下含缺陷岩体的接触爆破模型,所考虑的缺陷为孔洞、孔隙和微小的张开型节理等,并考虑2种情况,一是缺陷含有水,另一种是空缺陷。依据现有花岗岩的试验结果,通过拟合得到其冲击状态方程,并将其应用于炸药附近的花岗岩,而对于远离炸药的花岗岩,采用线性状态方程,并采用改进的主应力破坏准则来确定花岗岩的破坏状态。根据试验结果,将花岗岩的动态强度设计成随应变率变化的变量。模拟结果表明,在爆破荷载下,当缺陷内含有水时,岩体的动态强度降低;缺陷密度越大,其岩体的破坏范围越小;巷道附近的爆破会在巷道自由表面处产生层裂裂纹,结合巷道挖掘过程中产生的径向裂纹,巷道的围岩会被切割成很多块体而发生剥落,进而可能导致岩爆。     

弹粘塑性孔隙介质在冲击荷载作用下的一种本构关系--第二部分:弹粘塑性孔隙介质的畸变行为

继发表在本刊2003年第9期上第一部分的研究，就弹塑性孔隙介质在冲击偏应力张量作用下的行为进行了研究。考虑应变率对材料强度的影响，给出了热活化机理与宏观阻尼机理相互竞争的联合强度-应变率依赖模型。考虑应力状态、应变强化、畸变损伤和与孔隙率相联系的损伤对材料强度的影响，并在此基础上基于热活化原则给出了松弛型的应力偏量与应变偏量之间的关系，且本模型符合热力学第二定律。     

爆炸作用下地下直墙拱结构动荷载分布规律试验研究

为研究集中装药爆炸条件下地下直墙拱结构被覆段的荷载分布规律,通过野外抗爆模型试验测试土中自由场应力以及拱结构表面各点荷载的应力时程曲线。采用数据拟合与归一化方法,得到拱结构横断面及纵断面的荷载峰值分布规律包络图,并将测试结果与理论方法、数值手段的研究结果进行对比验证。结果表明,地下拱结构承受的动荷载与理论方法、数值手段得到的基本规律一致,呈类三角形分布。根据荷载分布情况,结合荷载作用面积的等效原理,提出局部动载的简化计算公式,给出地下拱结构抗化爆的荷载计算步骤。     

切缝药包不耦合装药爆破爆生裂纹动态断裂效应的试验研究

 利用爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统,对不同装药结构爆破爆生裂纹动态断裂效应进行分析,研究切缝药包的定向断裂控制爆破机制,比较爆生主裂纹和次裂纹动态能量释放率的差异。结果表明：不耦合系数?1= 1.67时,切缝药包爆破效果最理想;爆生主裂纹的扩展速度、动态应力强度因子随时间总体呈振荡下降的趋势,在扩展过程的中后期达到一个较小的峰值;橡皮泥介质作为炸药爆炸产物与炮孔壁间的缓冲层,传能效果良好;次裂纹尖端的动态能量释放率数值整体上小于2条主裂纹。     

静力循环加载与动力重复冲击下岩石破坏全过程对比试验研究

 采用岩石刚性试验机和分离式霍普金森压杆分别对岩石试件进行静力循环加载和动力重复冲击试验,获得2种载荷下的应力–应变关系曲线,特别是得到难以获取的动力重复冲击下破坏全过程的应力–应变关系曲线。对比2种载荷作用下的应力–应变曲线,除应变率效应外,两者有诸多相似之处：破坏过程均是渐进的,经历了屈服、开裂、粉碎等阶段;在应力–应变关系上大致都可分为弹性、强化、软化和残余等几个部分;过极限承载点后承载能力和模量都逐渐降低。对比试验研究表明,可通过岩石的静力循环加载试验结果来大致推算动力重复冲击下的基本力学特性。     

三轴冲击荷载作用下红黏土的力学性状

 利用室内动三轴试验系统来研究冲击荷载作用下红黏土的变形和强度特性,包括重塑土样在不同冲击应力、不同围压、不同冲击次数下的试验。研究结果表明,经受过冲击荷载作用的土样的应力–应变关系曲线一般随冲击次数的增加而升高,即表现为强度的增大;随围压的增大,通过增加冲击次数而提高土样抗剪强度的效果更为明显,亦即在实际工程中,增加每个夯点的夯击次数对加固深层地基土的效果更为显著;在试验围压范围内,随冲击应力增大,土样的强度值相应增大。     

含裂纹岩石巴西圆盘试件在冲击载荷下断裂参数的有限元计算

采用LS-DYNA有限元软件,对含中心裂纹的岩石巴西圆盘试件在冲击压缩荷载作用下的变形过程进行数值分析。基于虚拟裂纹闭合技术,提出在冲击载荷作用下裂纹结构能量释放率和动态应力强度因子的计算方法,得到巴西盘试件的能量释放率和应力强度因子与时间的关系曲线,并给出不同冲击速率对该曲线的影响。对含中心裂纹的岩石巴西盘试件在冲击压缩荷载作用下I型断裂参数与II型断裂参数的时间历程曲线进行比较。计算结果表明：在相同冲击速度下,在同一时刻II型断裂参数的数值比I型断裂参数小几个量级,含中心裂纹的巴西盘试件可作为I型断裂模型处理。     

冲击载荷作用下岩石损伤的能量耗散

利用一级轻气炮进行平面撞击实验，测量砂岩试件组成的靶板中的应力-时间历程曲线；基于RaIlkinc-Hugoniot守恒方程，计算得到不同冲击荷载下岩石试件中的损伤能量耗散密度，为建立新的岩石动态损伤模型创造了条件。     

冲击载荷下饱和砂土中超孔隙水压力的建立与消散过程

对落锤冲击造成饱和砂土中的冲击压力进行了测量。通过测量得到了冲击时饱和砂土中超孔隙水压力的建立和消散过程。分析了多次冲击对超孔隙水压力建立的影响。得到了一次冲击就能使饱和砂土达到完全液化的冲击强度临界值．     

双参数粘弹性地基无限长板的瞬态动力响应分析

利用三角级数和Laplace-Fourier积分变换法,求得了考虑地基剪切变形和压缩变形的粘弹性地基无限长板在冲击荷载作用下动力响应问题的解析解。计算和比较了Winkler地基和双参数地基板的动力响应,并进一步讨论了荷载周期、板厚度和地基的压缩系数、剪切系数及阻尼对板位移的影响,研究结果可为路面结构的动力响应分析和质量评价提供一些理论依据。     

岩石裂纹扩展的实验与数值分析研究

详细地研究了闭合裂纹在单轴，双轴载荷作用下，裂隙扩展，贯通的规律，应用8节点奇异等参单元模型来模拟节理尖端应力场的奇异性，实验和数值计算结果所得到的闭合裂隙的扩展规律具有较好的一致性，实验结果对研究裂隙岩体在开挖卸荷条件下的力学特性具有一定的参考价值。最后，将砂岩圆柱梁三点弯曲测试验得到的KIC，计算万家寨引黄工程总干一、二级泵站地下厂房在开挖和支护过程中围岩的破损区。     

冲击载荷下饱和砂土密实与排水过程的初步分析

 考虑液化后饱和砂土在重新固结时砂土骨架的压缩变形, 对冲击造成液化的饱和砂土在排水与密实过程中砂面沉降速度、沉降量、超孔隙水压力等参数随时间的变化进行了初步的分析。在对液化后饱和砂土的渗透系数进行必要的修正后, 分析计算结果与实验结果吻合得较好。