SHPB试验中合理加载波形比选分析

针对SHPB试验中如何选择合理加载波形问题,将矩形波、坡形波、三角波和常规梯形波等入射波形统一表达为不同升时的梯形波,并给出其加载应力路径方程。首先,计算分析了加载持续时间和最大应力幅值相同情况下,采用不同升时梯形波和半正弦波加载时,试件应力平衡时间t′_u随波阻抗比β变化情况,以及不同β的试件应力均匀性变化特征。其次,从试件应力平衡时间和应力均匀性角度分析两种加载波形的优劣性。升时t′_r=2、4的梯形波优于半正弦波,半正弦波优于t′_r≥7的梯形波;而t′_r=0、1、3、5、6的梯形波与半正弦波加载时t′_u曲线变化过程中出现了交叉现象,交叉前半正弦波优于此升时的梯形波,交叉后两者优劣性相反。最后,提出试验中合理加载波形的选择与确定。即无论β为何值,t′_r=2或4的梯形波加载时,试件均能获得较短应力平衡时间和较好应力均匀性,试验中应将t′_r=2的梯形波作为最佳加载波形优先选用,其次可考虑选用t′_r=4的梯形波;此外,计算给出不同β值对应的其他合理加载波形以便试验中选用。     

岩石SHPB试验中子弹形状对加载波形的数值模拟

利用有限元分析软件LS-DYNA对几种不同几何形状入射子弹在霍普金森压杆试验实验中产生的加载波形进行了数值模拟,在入射杆尺寸与撞击速度恒定的情况下,重点探讨入射子弹的几何形状对于加载波形的影响,为设计能打出近似理想半正弦波(或钟形波)的子弹提供理论依据。模拟研究发现:等截面子弹长度与加载波持续时间成正相关;锥形子弹末端截面直径越小,加载波上升沿时与脉冲持续时间越长,同时波形也越趋向于钟形波,但应力峰值则降低;对于本文设计的变截面子弹,其等截面段越长,加载波形越趋向于半正弦波。     

岩石SHPB测试中试样恒应变率变形的加载条件

 从分析霍布金逊压杆测试中试样变形应力、入射应力、反射应力和透射应力的相互关系入手,获得满足试样恒应变率变形所需的加载条件,即只有当加载应力和试样的变形应力具有相同的变化规律时,试样变形才处于恒应变率状态。试验结果表明,整形器法和异形冲头法都能在一定程度上实现试样的恒应变率测试,双试样法实际是整形器法的一个特例。整形器法更适合于理想弹脆性岩类的测试,异形冲头法对具有幂函数型本构曲线岩类和未知本构特征材料的测试有利,并且可重复性好。能产生半正弦波的异形冲头法可减小波形弥散对测试结果的影响。     

运用有限元和神经网络为SHPB装置构造理想冲头

针对大直径岩样专用SHPB试验装置存在的三维效应问题,从三维实体研究入手,利用非线性动力分析有限元程序对不同形状系列冲头进行了实体模拟;并运用径向基函数神经网络对模拟所得数据系列进行网络仿真,然后利用该网络对理想冲头形状进行自适应识别,构造了半正弦波加载SHPB装置的理想冲头,进一步完善了大直径SHPB试验技术;最后与基于一维应力波理论反演设计的冲头进行了比较。结果表明,基于三维实体模拟和径向基函数神经网络构造的冲头产生的应力波形更为理想。     

SHPB试验中高温下岩石变形破坏过程的能耗规律分析

利用带高温装置的φ100 mm分离式Hopkinson压杆试验系统进行不同高温下大理岩的SHPB试验,分析岩石在冲击破坏过程中的能量耗散特征,探讨冲击加载速率、入射能等对高温下大理岩能耗特征的影响,分析冲击破碎分维及破碎块度与能量耗散的内在联系。研究结果表明：同一高温下大理岩破碎的比能量吸收随着加载速率、入射能的增加均近似线性增加;破碎分维随比能量吸收的增加近似线性增长,而平均破碎块度随比能量吸收的增加逐渐减小,大致呈指数关系。同一高温下岩石的冲击破坏过程中,比能量吸收愈大,岩石的平均破碎块度就愈小,分形维数就愈大,岩石的破碎程度也就愈剧烈。从能量耗散的角度可以较合理地反映岩石变形破坏的全过程。     

绢云母石英片岩和砂岩的SHPB试验研究

 利用液压伺服压力试验机和波形整形器改进后的? 100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,研究绢云母石英片岩和砂岩在50～160 s－1应变率等级下的准静态力学性能及其在不同冲击压缩荷载作用下的波形曲线、动态抗压强度、比能量吸收以及破坏形态的应变率效应问题。试验结果表明,绢云母石英片岩和砂岩的动态抗压强度、比能量吸收以及破坏形态均表现出显著的应变率相关性,但弹性模量的应变率相关性较弱。综合绢云母石英片岩和砂岩动态力学性能的对比结果可知,砂岩比绢云母石英片岩对应变率的变化更敏感。从材料的微观结构特征和能量吸收的角度对岩石动态破坏过程进行分析,探寻岩石破坏的本质。研究成果可为其他类型的脆性材料动态力学性能的研究提供参考。     

饱水砂岩动态强度的SHPB试验研究

采用改进的φ75mm杆径SHPB试验装置,对长径比为0.5的开阳磷矿砂岩进行自然风干和饱水状态下的冲击压缩试验,对比INSTRON材料试验机的静载试验结果表明:冲击载荷作用下饱水砂岩的应力–应变关系不同于其静态应力–应变关系,中应变率加载条件下饱水砂岩动态强度与风干砂岩的动态强度相近,这与静载条件下饱水砂岩强度降低的结果相反;风干砂岩动态屈服应力与其静态相近,饱水砂岩动态屈服应力比其静态下的结果提高近2倍,表现出比自然风干砂岩更强的应变率敏感性;水对砂岩动态破坏效果有影响,自然风干砂岩比饱水砂岩受冲击破坏更为严重;冲击载荷作用下,饱水砂岩动态强度应考虑其自由水黏度及Stefan效应的影响。     

圆盘冲击劈裂试验中岩石拉伸弹性模量的求解算法

 提出圆盘冲击劈裂试验中求解岩石拉伸弹性模量的解析算法。结合圆盘对心受力的理论弹性解和实际试验过程中方便测量的物理参数,基于微积分原理,得到岩石拉伸弹性模量和垂直加载方向上总位移变形量之间的定量关系式。在此基础上,考察试样中心平行加载方向和垂直加载方向位移量之间的关系,认为两者之间存在线性关系,可以用比例函数进行表示。最后,结合SHPB冲击劈裂试验原理,通过测量得到平行加载方向位移,利用得到的比例函数进行换算,代入到拉伸模量和垂直加载方向上总位移变形量之间的定量关系式中,进而得到圆盘冲击劈裂试验中岩石拉伸模量的求解公式。该式包含冲击加载力、试样直径、试样厚度、岩石泊松比和试样中心平行加载方向上总位移变形量5个物理量,意义明确,运用简便,为求解圆盘劈裂试验拉伸弹性模量提供了一种新的方法。     

岩石在冲击载荷下的过应力本构模型研究

 采用分离式霍布金森压杆(SHPB)试验系统对深井软岩材料进行动态力学性能测试,测试的应力–应变曲线表现出显著的塑性变形特性。基于修正的过应力模型本构方程,根据 的变化量与应变率和应变之间的函数关系,采用量纲一化分析法对修正的过应力模型本构方程进行简化,得到简化的过应力模型本构方程;考虑动载作用下损伤对岩石动载强度的影响,将连续损伤理论和统计强度理论引入到简化的过应力模型本构方程,建立简化的损伤型过应力模型本构方程,使得本构模型方程适用于动态全程应力–应变曲线。采用简化的损伤型过应力模型本构方程对实测曲线进行曲线拟合,实测曲线和拟合曲线两者具有很好的一致性。     

高应力岩石围压卸载后动力扰动的临界破坏特性

 利用改造的动静组合分离式霍普金森压杆(SHPB)加载装置,系统研究砂岩历经三维加载–围压卸载–轴向冲击的临界破坏特性。试验结果表明：砂岩受外界冲击时的临界破坏特性受轴向静压影响明显,冲击强度随着轴向静压的增加出现先增加后减小的趋势;当无轴压和轴向静压为单轴抗压强度的20%时,应力–应变曲线为典型的I型曲线;随着轴向静压的增大,应力–应变曲线逐渐转变为II型曲线。试样破坏过程中能量变化逐渐由吸收扰动能量转变为释放弹性储能,该现象可以较好地反映岩爆发生过程中高静应力和动力扰动的相互作用机制,为深部岩爆机制的深入研究提供试验支持。另外,利用数字散斑相关计算方法对试样应力加载过程进行表面位移场监测;结果表明,常规冲击加载下,试样表现出为整体膨胀特性,当轴向静压为72 MPa时,则表现为入射端张剪性破坏和膨胀性破坏的共同作用,反映出轴向静载对试样动态破裂面断裂方式的影响。     

尹中高速公路粉喷桩复合地基桩土应力比现场试验研究

结合甘肃尹中高速公路粉喷桩处理饱和黄土地基的实体工程,选择了2个典型断面,其中一个断面为悬浮式复合地基,另一个断面为支承式复合地基,实测了桩顶及桩间土的压力,计算出了相应的桩土应力比n及复合地基承载力发挥值。结果表明:(1)在相同荷载水平下,支承式复合地基中桩体与桩间土体所承受的压力均大于悬浮式复合地基中的相应值;(2)在加荷初期,n值增长较快,但随着桩土变形的协调,n值趋于稳定,且2个断面在路堤主要受荷范围内的n值大部分集中在3～8;(3)无论柔性基础下粉喷桩复合地基的形式如何,按土体先破坏计算的复合地基承载力发挥值更接近于工程的实际荷载水平;(4)柔性基础下复合地基的破坏模式应为桩间土体先破坏,继而引起整个复合地基的破坏。