轻质泡沫混凝土SHPB试验与分析

为研究轻质泡沫混凝土的冲击动力学性能,结合半导体应变测试技术和入射脉冲整形技术对铝质分离式Hopkinson压杆(SHPB)装置进行改进,解决了泡沫混凝土类低阻抗多孔介质材料透射信号难采集问题,满足了加载过程中试件内部应力均匀性要求。通过调整冲击气压对密度为220 kg/m3轻质泡沫混凝土实施了不同撞击杆速度下的单轴冲击压缩试验。试验结果表明,泡沫混凝土试件在冲击荷载作用下依次经历线弹性阶段、屈服阶段和孔壁破坏3个阶段,且泡沫混凝土试件平均应变率与撞击杆速度表现出较强的线性相关性。     

反复一维冲击下钙质砂动力特性SHPB试验研究EI北大核心CSCD

南海岛礁建设桩基工程面临钙质砂地层问题,利用改进的分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置研究钙质砂在反复冲击荷载作用下的动力特性。共进行28次反复一维冲击试验,得到钙质砂和石英砂的应力-应变、一维压缩特性以及吸能效率曲线,以探讨反复一维冲击荷载作用下冲击次数、含水率和相对密实度等因素对两种砂样动态力学响应的影响。结果表明:钙质砂由于颗粒形状和矿物组成的不同,其动态表观模量(动刚度)在首次冲击以及反复冲击多次后都约为石英砂的10%;随着反复冲击的进行,两种砂样不断密实,表现为刚度增大、可压缩性减弱;首次冲击下钙质砂和石英砂的屈服应力分别约为3.20 MPa和9.33 MPa,此后颗粒开始大量破碎,压缩指数分别约为0.87和0.41,反复冲击后两种砂样的屈服应力分别增加到6.14 MPa和12.54 MPa;钙质砂的吸能效率高于石英砂,不同含水率和不同相对密实度钙质砂样吸能效率在多次冲击后趋于接近。     

SHPB劈裂试验下橡胶水泥砂浆的动态力学、能量特性及破坏机理试验研究

基于静载巴西劈裂原理,开展了橡胶水泥砂浆的分离式霍普金森压杆(SHPB)劈裂试验,对其动态力学、能量特性及破坏机理进行了研究.根据损伤力学,从强度和能量的角度分析了橡胶掺量、养护湿度和冲击荷载对水泥砂浆动态劈裂损伤的影响,并探讨了三种损伤因素下的六种损伤路径.结合圆盘试件的破坏模式,建立了冲击劈裂简化平面理想受力模型,分析了破裂方式-Ⅰ和破裂方式-Ⅱ两种截然不同的动态劈裂方式,并初步探讨了破裂方式-Ⅱ下圆盘试样的破坏机理.结果表明,掺入橡胶颗粒和降低养护湿度均降低了水泥砂浆的动态劈裂拉伸强度;普通水泥砂浆和橡胶水泥砂浆有着相同的应力率和应变率演化趋势;掺入橡胶颗粒和降低养护湿度均在一定程度上阻碍了能量在水泥砂浆圆盘试件中的传递;不同的单一损伤因素和复合损伤因素对水泥砂浆圆盘试样造成的动态劈裂损伤不同;在较大的冲击荷载下,圆盘试样会因"三角形压碎区"、"劈裂拉伸区"和"弯曲断裂区"的形成而被破坏.最后,从细观的角度分析讨论了界面过渡区(ITZ)对SHPB劈裂下橡胶水泥砂浆强度和抗冲击性能的影响.     

霍普金森撞击杆对入射波形影响的数值模拟

分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术是研究材料在中、高应变率下力学性能的主要实验方法。大量的实验研究发现,不同的材料对入射波形的要求是不同的,因此利用霍普金森撞击杆几何参量的研究来分析撞击杆对入射波形的影响,从而根据需要设计形状不同的撞击杆。通过SHPB实验数据验证有限元模型的准确性,并将数值计算的方法应用于几何参量研究中。研究发现,撞击杆在轴向的直径变化、端面直径的大小、锥段比例等均会对入射波形产生影响,合理的撞击杆几何形状可以消除波形曲线中的P-C振荡。     

霍普金森撞击杆对入射波形影响的数值模拟

分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术是研究材料在中、高应变率下力学性能的主要实验方法。大量的实验研究发现,不同的材料对入射波形的要求是不同的,因此利用霍普金森撞击杆几何参量的研究来分析撞击杆对入射波形的影响,从而根据需要设计形状不同的撞击杆。通过SHPB实验数据验证有限元模型的准确性,并将数值计算的方法应用于几何参量研究中。研究发现,撞击杆在轴向的直径变化、端面直径的大小、锥段比例等均会对入射波形产生影响,合理的撞击杆几何形状可以消除波形曲线中的P-C振荡。     

全轻纤维混凝土的SHPB冲击强度与耗能效应

以LC30全轻页岩陶粒混凝土为基准,对聚丙烯纤维、钢纤维和多壁碳纳米管不同组合掺入方式,分别进行了静力和分离式Hopkinson压杆(SHPB)冲击试验,利用HJC模型和LS-DYNA软件对素混凝土和钢纤维混凝土的动态应力-应变曲线进行了数值模拟。结果表明:全轻纤维混凝土不仅具有应变率效应和临界值,而且还具有强度效应和能量效应;并随应变率提高,其动态峰值应力和峰值应变、总能耗随之增大,且动态应力增长系数与应变率的对数具有显著相关性,但纤维掺入方式具有明显的差异性。其中,单掺时以聚丙烯纤维为最好,双掺时差异不大,三掺时为最好。数值模拟与试验曲线相近,但峰值应力较大和下降段差异较大,表明HJC模型对全轻混凝土及其纤维混凝土具有一定的局限性。     

玻璃球宏细观冲击特性的SHPB试验和耦合数值模拟研究

为研究玻璃球的宏细观冲击特性,该文开展了不同相对密实度玻璃球的一维霍普金森杆(SHPB)冲击试验和离散元-有限差分法耦合数值模拟研究。结果表明：一维冲击荷载下玻璃球经历初始弹性、屈服、颗粒间互锁硬化和颗粒破碎硬化四个阶段。基于耦合数值模拟发现,颗粒平均配位数随着冲击荷载时程不断增加,但增加的速率逐渐下降,其原因是配位数变化取决于孔隙压缩和以旋转为主的颗粒重排,随着试样压缩变形的发展,孔隙压缩和颗粒重排需要克服更大的颗粒间互锁效应,因此逐渐变缓。而试样孔隙率在弹性阶段基本不变,在屈服阶段和互锁硬化阶段近似线性下降,其原因是孔隙率变化受控于颗粒整体移动,弹性阶段颗粒整体移动尚未发展,屈服之后颗粒整体移动产生的孔隙压缩随荷载时程呈线性发展。冲击荷载下,颗粒位移以整体移动为主,相对位移为辅,因此,颗粒位移对试样的初始密实度不敏感。颗粒旋转需要克服周围颗粒的互锁效应,互锁效应取决于试样级配和颗粒粒径,对密实度较敏感。     

基于SHPB的切缝药包防护特性研究

为探究定向断裂控制爆破中切缝药包对围岩的防护特性,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验对用药包材料制成的垫片防护下的花岗岩试块进行冲击,分别研究垫片与岩石间距、垫片材料和厚度因素对围岩防护效果的影响,分析在高速冲击下岩石的破碎情况和应力峰值,并建立多个切缝药包单孔爆破数值模型,通过对比不同情况下围岩损伤而进一步揭示切缝药包对围岩的防护特性机理。研究结果表明：岩石在强冲击荷载作用下严重破碎,当采用外壳垫片防护后,岩石的破碎程度有所降低。相同垫片厚度和垫片与岩石间距离固定的情况下,PVC外壳垫片防护效果要优于ABS外壳垫片。随着垫片厚度的增加和岩石与垫片间距的增加,岩石受损程度逐渐减弱,且增加垫片厚度对岩石的防护效果要优于增加岩石与垫片外壳间距的防护效果,研究成果可为控制爆破提供技术参考。     

ECC动态拉伸力学特性试验研究与数值模拟EI北大核心CSCD

基于分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bars,SHPB)装置对基体材料、不同纤维掺量的ECC(engineered cementitious composites)在R1(5.8~6.9 s^(-1))、R2(9.7~13.3 s^(-1))、R3(14.4~18.9 s^(-1))、R4(19.2~28.5 s^(-1))4个应变率范围下进行冲击劈裂拉伸试验。探究基体材料、ECC在不同应变率下的动态力学特性及纤维掺量对ECC力学性能的影响。试验表明:基体材料、ECC的动态劈裂拉伸强度均具有显著的应变率增强效应;当纤维掺量小于2.3%时,纤维掺量与动态劈裂抗拉强度呈现出正相关。此外,通过试验发现基体材料的吸能能力与试件的破碎形态有关,随着纤维掺量的增加ECC破碎程度减小,微裂缝增多。通过拟合试验数据修正了ECC的应变率效应,并将修正后的模型嵌入到LS-DYNA软件中,基于新建模型对试验的全过程进行数值模拟分析,相较于试验数据,模拟结果最大误差为8%。最小误差为2.3%,试件的破坏形态吻合程度较高,数值模拟结果表明新建ECC材料模型能够较好表现ECC动态拉伸特性。     

冲击荷载下石墨矿石破碎能耗特征

为了研究晶质石墨矿石试样在冲击荷载作用下的破碎能耗特征,采用?50 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,设置气压间隔为0.1 MPa, 0.2～0.6 MPa共5组冲击气压,进行不同加载速率条件下石墨矿石试样冲击压缩试验,并分析石墨矿石试样破碎能耗规律。试验结果表明：在冲击荷载作用下,石墨矿石试样的动态抗压强度与平均应变率具有较强的三阶多项式关系,且石墨矿石在冲击荷载作用下具有动态硬化作用,其动态抗压强度随着应变率的增大呈非线性增大,呈现明显的应变率效应;石墨矿石试样破碎耗能与入射能具有显著的对数关系,随着入射能增大,试样破碎耗能也随之增大,但其试样破碎耗能所占比例随应变率增大逐渐由0.38下降至0.11;随着平均应变率增大,石墨矿石试样破碎耗能密度呈非线性增长,具有较强的应变率效应;石墨矿石试样的破碎平均粒径与破碎耗能密度具有显著的三阶多项式相关关系,随着石墨矿石试样耗能密度增加,石墨矿石试样破碎程度加剧,可以采用石墨矿石试样破碎块度平均粒径实现对石墨矿石试样破碎程度进行定量描述。     

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。     

冲击荷载作用下改良水泥-粉煤灰试样力学特性研究

为探究石膏和石灰改良水泥-粉煤灰在冲击动载下的力学特性,采用了分离式霍普金森压杆(SHPB)对不同养护龄期和不同配合比下的改良水泥-粉煤灰试样进行冲击试验.研究了相同冲击荷载作用下试样的破坏特征和动态力学特性,并重点分析了动态抗压强度(DCS)与养护龄期和石膏、石灰掺量之间的关系.试验结果表明:随着试样龄期的增加,石膏...     

ECC冲击压缩力学特性及耗能机制的试验研究EI北大核心CSCD

基于分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)装置对工程水泥基复合材料(engineered cementitious composite, ECC)在14.8~16.3 s^(-1),31.8~36.5 s^(-1),57.8~65.5 s^(-1),167.3~200.2 s^(-1)4个应变率范围下进行冲击压缩试验,探究ECC在不同应变率下的动态力学特性及耗能机制。试验表明:ECC的动态抗压强度和动态峰值应变呈现出显著的应变率增强效应,在低应变率下纤维掺量对ECC动态抗压强度和峰值应变的增加作用较强,在高应变率增强作用不明显;纤维掺量对ECC在不同应变率的应力应变曲线具有类似的影响,在低应变率下纤维掺量对ECC应力应变曲线形态的影响大于高应变率;ECC的耗能能力与破坏形态有关,在能耗比达到90%以上时,纤维掺量为2.00%和2.30%的ECC的完整度是基体材料的4倍,充分体现了ECC在抗爆加固领域的优势,为ECC在抗爆抗冲击领域的应用提供技术参考。     

不同围压条件下砂岩动态剪切特性数值模拟分析

岩石的剪切破坏是工程爆破中常见的破坏模式,因此对岩石的动态剪切强度的测定具有重要意义。而深部岩石的破坏则需考虑围压条件,但目前普遍是在较低围压条件下(<20 MPa)研究岩石的动态剪切特性。为研究更高围压条件下(>20 MPa)岩石的动态剪特性,基于ABAQUS有限元软件,采用Drucker-Prager(D-P)塑性模型,结合率相关性,对低围压条件下分离式霍普金森压杆动态冲剪实验进行模拟,并从力平衡、加载率、岩样的破碎特征和剪切强度方面与实验结果进行了对比分析,研究表明：基于ABAQUS的数值模拟方法能够重现冲剪实验现象;D-P模型能较好的反映岩石的剪切强度特性和破裂特征,与实验结果相符。以上结果验证了模拟方法以及模型参数的合理性和适用性。在此基础上,对更高围压下的砂岩的冲剪特性进行了预测性的模拟研究。结果显示：更高围压条件下,随着围压的增大,岩样的破裂裂纹减少;加载率相差不大的情况下,岩样的剪切强度随围压的增大而增大;围压一定的情况下,岩样的动态剪切强度随着加载率的增大而增大。     

三维四向编织复合材料动态压缩性能实验研究

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)研究了三维四向编织碳纤维环氧树脂复合材料在动态压缩载荷作用下的力学性能。在横向对复合材料进行了动态压缩实验,得到了应变率从900/s―1500/s下的应力-应变曲线,并且与准静态压缩下的结果进行了对比。分析比较了应变率对三维编织复合材料横向压缩强度和模量的影响。实验中根据SHPB理论假设,采用波形整形技术,使得试件在加载过程中处于应力平衡和均匀变形状态。实验结果表明:压缩强度和模量具有一定的应变率强化效应;与准静态结果相比,在高应变率下的复合材料的强度和模量有明显的增大,并表现出明显的脆性。还分析了应变率对复合材料破坏模式的影响。     

冲击荷载下高韧性水泥基复合材料动态力学特性与微结构演化研究

为提升水泥基材料静态力学性能、抗冲击特性及为减少温室气体排放而降低水泥用量,以硅粉为矿物掺合料(掺量为10%,质量比)、钢纤维为功能组分(掺量为2%,体积比),并匹配高效减水剂(掺量为1.5%～2.0%,质量比)制备高韧性水泥基复合材料,通过准静态抗压/抗折强度、分离式霍普金森压杆试验和采用水化微量热仪、热重分析仪,分别研究了高韧性水泥基复合材料准静态/动态力学特性及其微结构演变特征。结果表明：冲击荷载下(冲击速率为0.5 MPa/s)水泥基材料典型破坏过程分为三阶段,高韧性水泥基复合材料受作用后仅出现局部浆体剥落、飞散现象,而基准组体系均发生显著破坏直至整体破碎;硅粉在10%掺量下有效提升了水泥基复合材料体系早期和后期的准静态力学性能,1 d天龄期下抗压强度和抗折强度最高可达61.4 MPa、23.9 MPa,也显著提升了动态抗压强度至123.3 MPa(28 d天龄期)。微结构演变结果表明：硅粉和减水剂复合作用下浆体水化放热速率主峰提前,且主要水化产物——氢氧化钙含量减少,降低了浆体内部氢氧化钙分布的取向性,有助于改善浆体微结构。     

软硬介质组合岩体冲击动力学特性研究

为探究破岩和支护工程中较为常见的软硬介质组合岩体的冲击动力学特性,采用普氏系数差别较大的花岗岩和砂岩拼接成软硬介质和单介质组合岩体,利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)试验系统,分别对组合岩体进行冲击压缩试验,对比分析应力波入软硬介质和单介质组合岩体的波动特性、峰值强度以及利用高速相机记录组合岩体裂纹扩展形态。通过离散格子弹簧法(discrete lattice spring method, DLSM)数值模拟进行全方位的反演分析,研究软硬介质组合岩体胶结面两侧岩石的应力时程曲线变化规律,并利用“软硬组合系数”表征软硬介质组合岩体损伤演化规律。研究结果表明,组合岩体的波动特性具有明显的波阻抗效应,组合体和入射杆波阻抗匹配效果越好,反射波幅值越小,透射波幅值越大。相同冲击速度下,软硬介质组合岩体的峰值强度与单介质软岩组合体的峰值强度较为接近;软硬介质组合岩体和单介质组合岩体破坏程度和破坏形式明显不同：软硬介质组合岩体裂纹首先出现在远离胶结面的砂岩端部,而单介质组合岩体裂纹首先出现在胶结面处。单介质组合岩体以剪切破坏为主,局部张拉破...     

猪下肢骨骼的冲击压缩试验研究

水下爆炸或者陆地触雷爆炸时,人下肢骨骼极易损伤,为研究冲击载荷作用下股骨、胫骨的动态力学性能以及它们不同部位动态力学性能的分布规律,利用分离式Hopkinson压杆(SHPB)分别对股骨、胫骨的不同部位进行不同应变率下的动态压缩实验。分别得到股骨和胫骨不同部位在不同应变率下的压缩变形情况以及应力应变曲线,进一步得到它们在冲击压缩下的抗压强度。研究表明:股骨,胫骨都对应变率具有较大的依赖性;在冲击压缩条件下,股骨和胫骨动态力学性能都表现出两端较弱,中部较强的分布规律,该研究成果对以后提高人体的抗冲击能力,加强人体冲击伤的救治与防护具有一定参考价值。     

不同内径圆环砂岩试件温水耦合动态劈裂力学试验研究EI北大核心CSCD

煤矿巷道围岩经常处于地下水和温度共同作用环境中。由于岩石动抗拉强度远小于其动抗压强度,当受到掘进爆破等动载作用时岩体破坏往往取决于动抗拉强度,温水耦合岩石在动荷载扰动下动态抗拉力学性能值得深入研究。对不同内径圆环砂岩试件(外径50 mm,内径0~25 mm)进行温水耦合作用,开展X射线衍射和扫描电子显微镜试验,并利用霍普金森压杆试验装置进行动态劈裂力学特性试验研究。结果表明:温水耦合作用使砂岩试件产生损伤劣化,基本物理参数发生变化,动力学性能呈现出弱化现象;相同加载条件下,圆环砂岩试件内径增大,试件更易发生张拉破坏;劈裂后的半圆环发生了挤压断裂;相同内径时,温水耦合作用砂岩试件碎块更加明显;从能量耗散角度对试件破碎形态进行分析。     

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。