混凝土恒定围压下冲击加载实验装置研制

研制可实现混凝土、岩石及土等非均匀材料恒定围压下轴向冲击压缩加载实验装置,研究复杂应力状态下高应变率力学性能。该装置通过围压油缸及轴向油缸对试件施加静水压,利用大直径分离式Hopkinson压杆(SHPB)进行轴向冲击加载,测量恒定围压下材料动态应力-应变曲线。该装置具有冲击加载前试件处于静水压状态、轴向冲击加载过程中试件围压保持恒定不变等优点。结果表明,围压对混凝土材料动态力学性能影响明显。     

不同应变率下岩-煤-岩组合体冲击动力试验研究

为了研究岩-煤-岩组合体动态力学性质,利用直径为75 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)在5种不同应变率下对组合体试件进行单轴动态冲击压缩试验。研究结果表明:气压与子弹速度之间、冲击速度与应变率之间、应变率与动态弹性模量之间、应变率与动态抗压强度之间、应变率与分维数值之间都近似呈线性关系;σ-ε曲线在近似直线上升到峰值应力的75%左右时,随着应力的增加,曲线斜率逐渐降低,直至达到应力峰值,试件破碎后,呈现跳崖式下降现象;岩-煤-岩组合体在应变率较低时沿着加载方向轴向劈裂破坏,但伴随着应变率的升高,岩块分布也逐渐呈现细粒化,破碎程度也随之增强,块度分维数值也呈线性升高。     

加载速率对单晶γ-TiAl裂纹扩展影响的分子动力学模拟

运用分子动力学方法研究微观尺度下单晶γ-TiAl裂纹的扩展过程,运用嵌入原子势进行模拟,得到裂纹扩展的轨迹图和能量演变图,比较分析不同加载速率对γ-TiAl能量和应力-应变关系的影响,进而揭示对裂纹扩展的影响。研究表明:随着加载速率的增大,体系的原子运动加剧,总能量上升到峰值的剧烈程度增加,试件断裂的时间缩短,所需的应变越小,而裂纹扩展的形态没有变化;总能量随时间的演化曲线只出现一个峰值。应力-应变曲线中只有弹性阶段,没有塑性阶段,加载速率对拉升过程的弹性变形机理没有影响。     

岩石动态劈裂试验的最优试件尺寸分析

利用有限元分析软件LS-DYNA对常规巴西圆盘、平台巴西圆盘和带孔巴西圆盘这三种最常用的劈拉试件,进行岩石SHPB动态劈裂试验的数值模拟,并依据模拟结果,采用平台巴西圆盘法,对花岗岩试样进行了动态劈裂试验。对比模拟与试验结果,得到了加载应变率与岩石动态抗拉强度的关系,探讨了用于岩石动态劈裂试验的最优试件尺寸。结果表明:平台巴西圆盘法可以较好地满足中心起裂条件,试验结果的可信度更高,而对于所采用的岩石参数,建议平台巴西圆盘试件的中心角取20°~24°;如采用带孔巴西圆盘试件进行动态劈裂试验,建议内外孔径比取0.4~0.5;岩石的动态劈拉强度随应变率的增大而增大,但增大速率越来越小,且这种增大趋势受到试件尺寸的显著影响。     

基于混凝土细观骨料模型的SHPB仿真模拟研究

将混凝土视为由粗骨料和砂浆基体组成的双相复合材料,建立了圆柱状三维混凝土细观骨料模型,并将其应用于分离式Hopkinson压杆仿真实验中。通过五种不同梯形载荷的加载计算,得到了试件不同应变率下的应力—应变曲线,并将模拟结果与实验结果进行对比分析。结果表明,使用细观骨料模型可以有效模拟混凝土SHPB实验并反映材料的动态力学性能,而且其宏观破坏形式也与传统的均匀材料模型有所不同,所建立的模型同时为多种非均匀材料的细观数值模拟提供了方便。最后通过几种不同骨料含量和骨料尺寸混凝土模型的计算研究了这两种因素对混凝土动态强度和应力均匀性的影响。     

杨木静动态压缩本构模型研究

目的 以杨木为研究对象,研究其静动态压缩载荷作用下应力-应变曲线的变化特征,建立适合的本构模型,并对其进行描述。方法 对杨木试件进行静动态压缩加载试验,分析静动态压缩载荷作用下杨木应力-应变曲线的变化特征,构建适用于静动态压缩载荷作用下杨木的本构模型。结果 静态压缩加载杨木的应力-应变曲线分为线弹性阶段、屈服阶段和密实化阶段等3个部分,动态压缩加载杨木的应力-应变曲线分为线弹性阶段和屈服阶段等2个部分;静态压缩加载时,杨木轴向屈服应力最大,分别是径向和弦向的5.70倍和7.75倍;动态压缩加载时,当应变率从400 s-1增加到1000 s-1时,径向、弦向和轴向的屈服应力分别增加了1.51,1.59,3.12倍,杨木的屈服应力具有应变率敏感性;采用包含应变率影响的本构方程来描述杨木在静动态压缩载荷作用下的本构关系是比较合适的。结论 杨木是一种应变率敏感材料,静动态压缩载荷作用下杨木的应力-应变曲线均表现出多孔材料的特征,将多孔材料本构模型应用于木材是可行的。     

SHPB试验岩石试件应力平衡时间预估分析

运用一维应力波理论,对分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验中弹性应力波的传播过程进行了分析,得到了试件应力分布相关计算公式,讨论了试件应力平衡时间的影响因素和变化规律。以变截面杆SHPB试验装置对煤矿岩石试件加载为例,计算分析了3种岩石试件在光滑的试验入射波和与其升时相同的理论梯形入射波加载情况下试件应力均匀性和应力平衡时间。发现采用变截面入射杆进行加载,能够实现岩石试件在应力峰值之前达到应力平衡,满足应力均匀性假定要求的有效条件。结果表明,采用理论梯形入射波可以近似代替与其升时相同的试验入射波,预估岩石试件应力均匀性和应力平衡时间,对类似脆性材料的SHPB试验设计具有一定的参考价值。     

陶瓷纤维混凝土冲击力学响应及统计损伤本构模型试验研究

采用Φ100mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置对陶瓷纤维混凝土的动态力学性能进行研究,并验证了试验结果的有效性;基于IPBS模型(修正平行杆模型),建立考虑应变率效应的混凝土单轴受压统计损伤本构模型,模拟陶瓷纤维混凝土的动态损伤破坏过程。结果表明：陶瓷纤维对普通硅酸盐混凝土的增强增韧效果明显,尤其是在高应变率范围内;SHPB试验过程中应力均匀性和恒应变率加载条件得到了较好地满足;动态损伤本构模型提供曲线与试验曲线吻合较好,能够较为准确地描述陶瓷纤维混凝土破坏前的应力应变关系。     

层状板岩动力破坏特性数值试验研究

为研究层理面数和冲击载荷对层状板岩动力破坏特性影响,利用LS-DYNA有限元软件模拟了层状板岩试件在不同冲击速度下的SHPB实验,再现了SHPB实验过程中的加载波形和层状板岩试件的破坏过程,模拟结果与实验结果吻合度较好。研究结果表明:层状板岩试件的耗散能量随层理面数的增加而增加,双层、三层和四层板岩试件相比单层板岩试件耗散能量的增长分别为0.2%、0.4%和1.87%;试件破坏开始于端面周边,滞后于应力峰值,当冲击速度为6.5 m/s时,层状岩石试件以轴向劈裂破坏为主,冲击速度为12 m/s和20 m/s时试件的破坏模式为轴向劈裂破坏、径向剪破坏和端面拉压破坏的混合破坏。     

钢纤维地质聚合物混凝土冲击力学性能研究EI北大核心CSCD

通过控制粉煤灰、矿渣用量制备基准强度分别为C50、C60和C70的普通地质聚合物混凝土试件,再掺入不同体积量(0.3%, 0.6%, 0.9%和1.2%)的钢纤维制备出钢纤维地质聚合物混凝土试件。采用霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)对试件在不同冲击气压(对应不同应变率)下的抗冲击性能进行研究,探讨钢纤维掺量、应变率及混凝土基准强度对试件动态抗压强度和韧性指数的影响;采用ABAQUS软件进行数值模拟,对模拟与试验结果加以分析和验证;建立钢纤维地质聚合物混凝土动态应力-应变本构模型。结果表明:各组试件的动态抗压强度随着应变率、混凝土基准强度地提高逐渐增大,而钢纤维掺量仅对强度较低地质聚合物混凝土产生较大影响;应变率的提高使试件完整性逐渐变差,而随着钢纤维掺量与混凝土基准强度的提高,试件完整性逐渐变好,冲击耗能与韧性逐渐增加;数值分析与试验结果吻合较好,验证了结果的可靠性;钢纤维地质聚合物混凝土动态应力-应变本构模型计算结果与试验结果整体吻合较好,可用于预测冲击荷载下钢纤维地质聚合物混凝土的力学性能。     

波阻抗对岩石动力学特性影响的模拟试验研究

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对系列波阻抗的模型材料进行不同应变率下的冲击压缩试验。试验结果表明:岩石在冲击荷载下的应力波传播特征、动态应力应变关系以及破碎块度分形特征同时受波阻抗、应变率和冲击速度的影响。波阻抗相同时,反射波和透射波信号幅值均随冲击速度增大呈线性增大,同时应变率效应明显,随着应变率的增大:峰值应力呈线性增大,动态弹性模量增大,应变软化阶段延长;破碎程度增大,破碎块度分形维数呈线性增大。应变率相同时,随着波阻抗的减小:反射波幅值增大、透射波幅值减小;峰值应力减小,应变软化阶段延长,塑性段趋于明显,且有塑性流动现象出现;破碎程度增大,破碎块度分形维数增大。同时随着波阻抗减小,应变率增大对动态抗压强度的增大以及对破碎程度的加剧效果减弱,应变率效应减弱,逐渐趋于不明显。     

不同应变率下岩石冲击破坏的声发射特性研究

为了研究在动载荷下岩石破裂的声发射特性,采用霍普金森(SHPB)实验系统对三种岩石进行不同应变率下的冲击载荷破坏实验,同步采集破坏过程的声发射参数,从应力—应变、幅值分布、振铃计数变化以及峰值频率分布等方面进行了分析与研究。实验结果表明:力学特性方面,随着应变率增大,三种岩石的动态强度随之增大,极限应变也随之增大,且岩石试样的破碎程度随之增大,表现为碎块的尺寸减小、块数增加、碎屑增多。在声发射特性方面,三种岩石的峰值频率主要在550 k Hz以下,且随着应变率的增加,三种岩石的振铃计数都随之增大,低幅值信号比例增加,峰值频率在100 k Hz以下的低频信号随之减少,100~200k Hz以及400~550 k Hz的中高频信号随之增多,说明峰值频率有向中高频移动的趋势。     

率相关混凝土类材料SHPB试验的若干问题

对于断裂应变很小的混凝土类材料,在SHPB冲击试验中试样断裂前的应力是否达到均匀是冲击试验是否有效的一个关键。以水泥砂浆为例,采用弹性和ZWT粘弹性两种本构模型,通过特征线解法对高应变率SHPB试验过程中的加卸载应力均匀性进行了分析。发现入射波升时对脆性粘弹性材料的应力均匀性有影响,其中以τs/tL=2时最好,升时再延长反而对应力均匀化不利。采用不同升时加卸载时,应力幅值对于试样中应力均匀性没有影响,但对试样中应变和应变率的大小有影响。并且发现用常规的SHPB技术难以获得率相关脆性材料较可靠的应力-应变关系,但在应力均匀化后测得的动态断裂应力值是可靠的。     

SHPB测试中岩石试件应力均匀性分析研究

对花岗岩、千枚岩、磁铁石英岩三种岩石进行SHPB应力均匀性试验测试,研究表明:试件内达到应力均匀时间介于弹塑性状态假设条件下试件内达到应力均匀时间之间,且试件内达到应力均匀时间与二者的平均值具有一定的相关性。试验中子弹的冲击速度在一定范围内,能够使三种岩石满足应力均匀性的要求,且在断裂应变达到1%之前均有较长的恒应变率时间段。     

循环荷载下大孔隙红砂岩的动力响应及损伤研究

为探究循环荷载下不同孔隙率红砂岩的动力特性和损伤规律,采用SHPB冲击实验系统,选取了2组不同孔隙率的红砂岩进行循环冲击实验,分析大孔隙率红砂岩的动力波形,本构曲线及损伤度,得到不同孔隙率红砂岩的变形模量、峰值应力、峰值应变及损伤度的变化规律。结果表明:不同孔隙率的红砂岩试件在循环荷载下的应力时程基本一致,随着循环次数的增加,岩石经历了孔隙闭合-裂隙开展-应力硬化-应变软化直至破坏的阶段,其变形模量和峰值应变呈现出先减小,再增大,再减小的趋势,峰值应力与速度呈正相关的关系。随着循环次数的递增,孔隙率大的岩石的峰值应力下降趋势大于孔隙率小的岩石,并且损伤累积使岩石在冲击破坏前表现出了较明显的塑性特征,不同孔隙率红砂岩的损伤度变化趋势基本是先增大后减小,孔隙率大的岩石累计损伤度大于孔隙率小的岩石,其损伤裂纹基本都是从透射杆端部开始,随着裂纹的产生扩展直至破坏。     

循环荷载下大孔隙红砂岩的动力响应及损伤研究

为探究循环荷载下不同孔隙率红砂岩的动力特性和损伤规律,采用SHPB冲击实验系统,选取了2组不同孔隙率的红砂岩进行循环冲击实验,分析大孔隙率红砂岩的动力波形,本构曲线及损伤度,得到不同孔隙率红砂岩的变形模量、峰值应力、峰值应变及损伤度的变化规律.结果表明:不同孔隙率的红砂岩试件在循环荷载下的应力时程基本一致,随着循环次数...     

高温后钢管RPC抗冲击压缩特性与极限强度计算

采用φ74 mm分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar,简称SHPB）试验装置对30块高温后的钢管活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete-Filled Steel Tube,简称钢管RPC）进行了不同应变率的冲击压缩试验,得到了高温后钢管RPC的动态应力-应变关系和破坏形态,提出了高温后钢管RPC动态峰值应力和峰值应变预估方法。结果表明,高温后钢管RPC具有明显的应变率效应,经历高温作用后的钢管RPC仍保持较高的强度,较好的延性和整体性。含钢率对钢管RPC动力性能有显著影响,初始弹性刚度和峰值应力随含钢率提高而明显增大。理论计算结果与试验结果吻合良好,能够较好预测高温后钢管RPC的动态峰值应力和峰值应变。     

Correlation between the accuracy of a SHPB test and the stress uniformity based on numerical experiments

Split Hopkinson pressure bar (SHPB) has become a frequently used technique to measure the uniaxial compressive stress–strain relation of various engineering materials at high strain rate. Using the strain records on incident and transmitter bars, the average stress, strain and strain rate histories within the specimen can be calculated by SHPB formulae based on one-dimensional wave propagation theory. The accuracy of a SHPB test is based on the assumption of stress and strain uniformity within the specimen, which, however, is not always satisfied in an actual SHPB test due to the existence of some unavoidable negative factors, e.g., friction and specimen size effects. Two coefficients are introduced in the present paper to measure the stress uniformity in axial and radial directions of the specimen in a numerical SHPB test. It is shown that the accuracy of a SHPB test can be correlated to these two stress uniformity coefficients. An assessment and correction procedure for SHPB test results is illustrated through a numerical example.     

冲击荷载作用下岩石破碎分形特征

为探究冲击荷载作用下岩石破碎分形特征,选取花岗岩和砂岩开展分离式霍普金森压杆(SHPB)岩石动力学试验,得到了不同应变率下岩石的应力-应变曲线、破碎特性、强度参数和能量参数;利用标准筛对破碎后的岩块进行筛分,获取了岩石破碎块度分布曲线,并基于碎块粒径分布的质量分形模型计算出分形维数D;最后分析了分形维数与加载参数、破碎特性和耗能特性之间的关系。结果表明,岩石在冲击荷载作用下的破碎块度分布符合分形规律;动态抗压强度随应变率增大而增大,两者满足乘幂函数关系;加载过程中岩石应变率越大,岩石破碎程度越深,分形维数越大;分形维数与岩石破碎耗能密度之间满足乘幂函数关系。采用分形维数可实现对岩石在冲击荷载作用下的破碎特性、力学特性和破碎耗能特性的定量研究。