岩石材料SHPB实验试件尺寸确定的研究

目前岩石材料在进行分离式霍普金森压杆(SHPB)实验时,对于试件尺寸确定的描述较为模糊,因此从应力波在SHPB系统中的传播过程入手,通过应力均匀化物理过程的分析,求解出试件内应力状态,结合应力均匀的条件,解析出影响应力均匀化的参量:试件与杆间应力波的反射系数,并给出不同反射系数下达到应力均匀所需的最小传播次数。通过控制应力均匀化时间确定了试件极限长度的计算公式,并得出脆性岩石材料的合理长径比为0.8。根据以上结论,计算出7种岩石材料在SHPB实验下的尺寸,为相关研究提供参考。     

岩石SHPB试验中确定试样尺寸的参考方法

根据岩石SHPB试验中应力波在弹性杆和岩样内的透反射规律,给出了利用反射系数和应力波在试样间来回传播最低次数获得应力差相对值的查值表。根据反射系数和具体实验中对应力差相对值的要求,利用该表可以直接查询应力波在岩样内传播达到应力平衡的最小传播次数。在此基础上,通过考察岩石密度、波速与最小传播次数之间的关系,认为岩石的波速对反射系数和岩样最大长度有很明显的影响。研究结果表明,岩石波速和岩样最大长度之间存在二次函数关系式。在对岩石进行SHPB实验前,可以通过测试岩石的波速,并根据二次函数关系式,计算得到岩样所允许的最大长度,为具体试验条件下确定岩石试样尺寸提供了一种参考方法。     

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。     

基于脆性材料的SHPB实验研究与展望

本文介绍了岩石、混凝土、陶瓷等脆性材料的分离式霍普金森压杆(SHPB)实验研究进展。总结发现,脆性材料进行SHPB实验时主要存在应力波几何弥散、试件应力不均匀及非恒应变率加载、高强度脆性材料的二维效应和不完全平面接触等问题。结合SHPB实验原理和脆性材料自身特性,着重讨论了问题产生的原因及相应的改进技术,并就这一方面更深入的研究工作进行了展望。     

SHPB冲击压缩实验中泡沫塑料应力均匀化过程的数值模拟

对SHPB实验中泡沫塑料的本构关系进行了分段线性化处理，基于一维弹性应力波理论用数值方法对变形过程进行了模拟。结果表明，实验初期试件处于严重的应力不均匀状态；并且由于试件与输入／输出杆的界面处存在波阻抗不匹配现象，实验中后期的应力均匀化程度也无法得到有效提高；若将子弹及输入／输出杆的材料更换为刚度较低的聚合物，可有效地减少波阻抗不匹配的程度，从而使实验中后期的应力均匀化水平得以大幅度提高，但实验所能够达到的最大应变值可能受到限制。     

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。     

混凝土材料层裂强度的实验研究

利用Φ74大尺寸Hopkinson压杆和混凝土长杆试件研究了混凝土材料的层裂强度及其应变率效应.入射的压缩波通过压杆透入试件并反射成拉伸波而形成层裂.实验中采取在试件上多点贴应变片,讨论了应力波在混凝土试件中传播的波形弥散和幅值衰减,并在考虑了损伤演化影响的基础上确定了试件材料的层裂强度.对某种普通混凝土在不同应变率下的测试显示层裂强度受应变率影响明显.结果表明,本文提出了一种测定混凝土层裂强度的有效方法.     

基于SHPB技术的混凝土冲击弯拉惯性效应研究

混凝土材料的SHPB动态弯拉试验在试验技术方面还存在一定问题。按照应力平衡的假设,必须要知道三种应力波的具体值才能计算出应力和应变率。然而应力波沿试件纵向传播所需的时间比沿横向传播所需的时间短,当试件断裂时,透射杆上并不能测得应力波。根据Delvare等的研究,可采用无限长梁模型,得到弯矩的计算公式,从而计算出试件的强度和应变率。此外,在冲击弯拉试验中,试件受到惯性力的作用会对试验精度产生一定影响,因此有必要对试件所受惯性力进行讨论。试件在受到冲击的过程中只在部分长度内发生变形,定义该部分长度为有效长度,通过无限长梁模型的关系式推导得到有效长度的计算公式,并根据相关原理计算出试件受到的惯性力,计算出其真实强度。     

被动围压条件下岩石材料冲击压缩试验研究

为研究煤矿岩石材料被动围压条件下动态力学性能和变形破坏规律,利用Ø50mm变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对45#钢质套筒环向约束状态下煤矿岩石试件进行了不同加载速率冲击压缩试验。试验结果表明：被动围压条件下SHPB试验中,岩石试件的材料延性和抗破坏能力均得到增强,试件轴向应力是采用同种加载条件无围压SHPB试验时的1.2倍,破坏应变比无围压SHPB试验提高2～3倍,且径向应力随轴向应变增大总体呈上升趋势,试件破坏为压剪破坏模式,与无围压SHPB试验有所不同。     

端面不平行对岩石SHPB测试结果的影响分析

为探讨岩石试件加工端面不平行对岩石材料动力学特性测试结果的影响,采用有限元分析软件LS-DYNA对13种端面不平行度的岩石试件开展SHPB数值模拟,并分析了端面不平行对加载过程应力均匀性的影响。结果表明:随端面不平行度γ的增加,岩石试件动态应力-应变曲线逐渐向右和向下移动,且峰前加载段逐渐延长。当γ1.60%时,动态应力-应变曲线在加载初期出现一个微小的加载-卸载过程,且在升时为120μs的半正弦入射波加载阶段岩石试件达不到应力均匀状态。基于数值模拟结果,建立了端面不平行度与量纲一化的动态单轴抗压强度、平均应变率和峰值应变的定量表达式。     

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.     

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。     

高应变率下岩石本构特性的研究

高应变率下岩石的动态本构关系和力学特性,目前主要是利用SHPB装置等来获得．基于统计学和损伤力学的观点,建立岩石在高应变率下的动态本构模型是进一步研究爆破机理、爆炸应力波传播、爆破参数优化的基础。理论和实验证明,本文推荐的4种动态本构模型与试验结果有较好的一致性,对进一步研究岩石的动态力学性质奠定了基础．     

裂纹面动摩擦作用对脆性材料动力破坏的影响EI北大核心CSCD

基于岩石类材料的I型裂纹模型,提出了一种考虑裂纹密度、裂纹相互作用以及裂纹面动摩擦作用的脆性材料动力模型。以正方形阵列分布的裂纹为例,定量分析了不同裂纹密度及不同摩擦行为对试件的裂纹扩展过程、试件受力和破坏的影响。数值计算结果表明:随着裂纹密度增大,裂纹间的相互作用增强,试件破坏时的加载应力降低,惯性效应引起试件轴向附加应力增大。裂纹面的滑动会降低裂纹面的动摩擦系数,促进裂纹发展,并降低试件的强度。相对于常数摩擦系数,考虑速度及状态依赖型摩擦模型对裂纹面的滑动过程更为合理。动强度因子对比结果显示出试件明显的应变率效应和尺寸效应。     

泡沫硅橡胶动态力学性能的实验研究

泡沫硅橡胶在缓冲减振方面有独特的优良性能,但由于它是一种柔性材料,波速和波阻抗均极低,因此实验研究其动态力学性能具有很大困难,本文首次实现了利用霍普金森压杆技术对泡沫硅橡胶作冲击压缩实验,得到了高应变率下的应力￣应变曲线,结果表明,该材料具有强烈的应变率敏感性。     

预加载下岩石的动态力学性能研究

动态和静态载荷共同作用下的岩石力学特性是深部地下岩石工程的关键问题。设计了用于测试静态预加载下岩石动态力学性能的分离式霍普金森压杆系统,并详细介绍了具有预加载装置的分离式霍普金森压杆系统的原理、数据分析和应力波的传播过程。通过具有预加载装置的分离式霍普金森压杆系统研究了岩石在不同预拉伸应力下的拉伸强度。结果表明:动态拉伸强度和总拉伸强度随着加载率的增加而增加,同时,在相同加载率下,动态拉伸强度随着预拉伸载荷的增加而减小,而总拉伸应力与预拉伸载荷的大小无关。此外,对不同预加载条件下岩石的动态断裂韧度也进行了研究,实验结果说明岩石的动态断裂韧度和总断裂韧度随着加载率的增加而增加。在相同加载率下,动态断裂韧度随着预加载荷的增加而减小,而总断裂韧度随着加载率的增加而增加。     

Experimental and numerical investigations on fracture process zone of rock–concrete interface

A crack propagation criterion for a rock–concrete interface is employed to investigate the evolution of the fracture process zone (FPZ) in rock–concrete composite beams under three‐point bending (TPB). According to the criterion, cracking initiates along the interface when the difference between the mode I stress intensity factor at the crack tip caused by external loading and the one caused by the cohesive stress acting on the fictitious crack surfaces reaches the initial fracture toughness of a rock–concrete interface. From the experimental results of the composite beams with various initial crack lengths but equal depths under TPB, the interface fracture parameters are determined. In addition, the FPZ evolution in a TPB specimen is investigated by using a digital image correlation technique. Thus, the fracture processes of the rock–concrete composite beams can be simulated by introducing the initial fracture criterion to determine the crack propagation. By comparing the load versus crack mouth opening displacement curves and FPZ evolution, the numerical and experimental results show a reasonable agreement, which verifies the numerical method developed in this study for analysing the crack propagation along the rock–concrete interface. Finally, based on the numerical results, the effect of ligament length on the FPZ evolution and the variations of the fracture model during crack propagation are discussed for the rock–concrete interface fracture under TPB. The results indicate that ligament length significantly affects the FPZ evolution at the rock–concrete interface under TPB and the stress intensity factor ratio of modes II to I is influenced by the specimen size during the propagation of the interfacial crack.