冲击载荷作用下岩石材料模型实验验证

利用ANSYS/LS-DYNA有限元程序建立计算模型,模拟了岩石靶板在冲击载荷作用下的动态响应过程,给出了岩石靶板在不同冲击速度下其内部不同Lagrangian位置处的应力-时间响应曲线,数值模拟结果与实验结果吻合较好.通过对模拟结果和实验结果的对比分析可知,冲击载荷作用下纵向冲击压缩波和横向稀疏卸载波的双重作用是导致岩石靶板破坏的主要原因,这对进一步开展岩石材料动态力学性能研究提供了重要的指导.     

基于零厚度粘聚力单元的钢筋混凝土板在爆炸荷载下的动态破坏过程分析

军火库或危险品仓库存在着偶然爆炸的威胁,而钢筋混凝土是这些建筑物的主要构成材料,因此研究钢筋混凝土结构在爆炸荷载下的破坏过程具有重要意义。该文基于LS-DYNA动力有限元程序,利用任意拉格朗日–欧拉（ALE）方法,以及多物质流固耦合方法对混凝土结构在爆炸荷载作用下的动态破坏过程进行研究。为了更好分析混凝土结构在爆炸荷载作用下的动力响应,采用了考虑应变率影响的钢筋和混凝土材料本构模型,并引入零厚度粘聚力单元来模拟混凝土的动态破坏过程,克服基于侵蚀算法单元删除带来的质量损失问题。该文首先介绍零厚度粘聚力单元模型的生成过程并对比试验结果,验证所建立的零厚度粘聚力单元模型的合理性。其次,对比不同爆炸荷载下基于侵蚀算法以及零厚度粘聚力单元两种不同模拟方法的模拟结果,验证基于零厚度粘聚力单元模拟的优越性。最后基于零厚度粘聚力单元模型,分析不同爆炸荷载对混凝土结构动态破坏过程以及碎片抛射的影响。     

岩石材料损伤与应力波参数关系研究

为了研究应力波参数对岩石材料损伤与破坏的作用规律,采用 75 mm大直径 SHPB试验装置以不同子弹长度和不同冲击速度对岩石试件荷载,并用RSM-SY5声波仪测试岩石试件被冲击前后的纵、横波速,研究了岩石材料损伤与应力波波长和波幅的关系.结果表明:岩石在相同应力波波长下,入射波幅值、弹性模量、损伤程度及所受应力随子弹速度的增加而增加,破坏应变随着入射波幅值的增大而减小;岩石试件在相同应力波幅值下,其所受最大应力、弹性模量和损伤程度随着应力波波长的增大而增大,破坏应变随应力波波长的增加而减小,应力波波长每增加1/2,试件损伤增加0.03左右.     

冲击荷载下岩石声发射信号能量特征的小波包分析

根据冲击荷载作用下岩石声发射信号具有非平稳的特点,利用小波包分析技术对冲击荷载作用下岩石声发射信号的能量分布特征进行研究。首先,简略地介绍了小波包分析的特点。其次,基于MATLAB对岩石声发射信号进行小波包分析,得到了冲击荷载作用下岩石声发射信号在不同频带上的能量分布图。最后,总结了冲击荷载作用下岩石声发射信号频带能量的分布规律,重点讨论了冲击荷载作用下不同岩石对声发射信号频带能量分布的影响。分析结果发现岩石的物理力学性质影响冲击荷载作用下岩石声发射信号频带能量的分布规律,即岩石密度越小、纵波波速越小、弹性模量越小,冲击荷载作用下岩石声发射信号的优势频率就越集中,且优势频率有往低频发展的趋势;单轴压缩强度和抗拉强度对冲击荷载作用下岩石声发射信号能量在优势频率内分布的影响不明显。     

岩石冲击破坏的流形元与有限元模拟对比分析

流形元是新出现的一种被较为广泛地应用于材料破坏模拟的数值分析方法。为了验证该方法在材料破坏模拟中的有效性,分别利用流形元与有限元两种不同的数值方法对岩石冲击破坏过程进行了模拟分析。模拟结果表明,流形元法对材料破坏的模拟结果更符合实际情况,这主要是由于该方法采用了两种不同的覆盖系统——数学覆盖和物理覆盖,并引入能够客观反映材料裂纹的产生与扩展准则,以及相应的块体运动理论。流形元的出现有望对材料破坏模拟开创出一条新的途径。     

岩石冲击破坏的流形元与有限元模拟对比分析

流形元是新出现的一种被较为广泛地应用于材料破坏模拟的数值分析方法。为了验证该方法在材料破坏模拟中的有效性,分别利用流形元与有限元两种不同的数值方法对岩石冲击破坏过程进行了模拟分析。模拟结果表明,流形元法对材料破坏的模拟结果更符合实际情况,这主要是由于该方法采用了两种不同的覆盖系统——数学覆盖和物理覆盖,并引入能够客观反映材料裂纹的产生与扩展准则,以及相应的块体运动理论。流形元的出现有望对材料破坏模拟开创出一条新的途径。     

隧道围岩爆破冲击损伤防护的轻气炮试验及数值模拟

为减小爆破对隧道围岩的损伤破坏,在传统光面爆破装药结构基础上,设计一种在炮孔一侧安放PVC-U材料来保护隧道围岩的装药结构,并分析了该装药结构爆破过程中对隧道围岩损伤防护的机理。为进一步验证PVC-U管的防护效果,利用57mm口径的一级轻气炮装置和LS-DYNA软件进行了岩石冲击损伤破坏分析。结果表明：保护层能够降低岩石试件冲击面上的应力波峰值和减小试件的损伤程度;在相同冲击速度下,岩石试件冲击面上的应力波峰值随保护层厚度的增加而不断下降。加有4mm保护层材料的岩石试件的损伤度较无保护层时降低了21.1%。对岩石试件的冲击过程进行的数值模拟验证了理论分析和试验结果的正确性。说明放置在炮孔内的PVC-U管能够对岩石的爆破损伤破坏起到一定的防护作用。     

圆形孔洞结构岩体冲击响应识别实验模拟研究

孔洞是地质和岩石工程中常见的结构,为了模拟孔洞结构岩体在高速冲击荷载下的响应特征,设计和加工了孔洞结构的花岗岩体试样,采用改进的冲击动力学测试模拟系统,在不同冲击能下,在垂直和平行孔洞轴线方向对孔洞结构花岗岩体进行渐进式循环冲击模拟试验,对实验杆入/反射应力波进行测量。研究表明,峰值反射应力比与冲击能大小无关,但反射应变比能比随冲击能的增大而降低;在低冲击能下,孔洞结构对反射应力波的响应影响不大;随着冲击能的增大,其影响增大;岩体沿孔洞结构的轴线方向发生开裂破坏,与冲击位置无关;在试样开裂后,应变比能显著增高但峰值应力比的变化不大,说明应变比能比可作为岩体结构破坏指示的响应指标。模拟实验为孔洞类岩石结构的钻进识别以及防护设计提供了理论依据。     

应变率突增对混凝土动态拉伸破坏影响的细观模拟

实际工程中混凝土结构往往遭遇多次动态荷载作用或在承受一定初始损伤荷载基础上再承受不同应变率的动态荷载.建立了哑铃型混凝土三维细观数值模型,模拟不同名义应变率单独作用下混凝土材料的单轴动态拉伸破坏行为,又分别对混凝土单轴拉伸应力应变曲线上升段和软化段的应变率突增行为开展了细观模拟,初步分析了应变率突增行为对动态拉伸破坏强...     

爆破冲击荷载作用下宏观孔隙混凝土损伤演化的近场动力学模拟

针对静载、冲击荷载条件下宏观孔隙混凝土的孔隙参数对混凝土损伤演化过程的影响问题,采用MATLAB程序结合蒙特卡罗方法生成随机的孔隙结构物理模型,通过自编近场动力学程序模拟了单轴压缩下宏观孔隙混凝土的应力应变过程,并制备了以聚苯乙烯小球高温融化为孔隙体的混凝土砂浆试件,对宏观孔隙率0%～40%的混凝土试件进行了单轴压缩,实验验证了模型计算结果的准确性,随后模拟了爆破冲击作用下宏观孔隙混凝土的裂纹萌发与扩展。结果表明：孔隙率对宏观孔隙混凝土材料力学性能的影响显著,随着孔隙率的增加,试样的密度、抗压强度、弹性模量以及纵波波速不断降低,当孔隙率达到30%后,孔隙率对轴线抗压强度影响减弱,并且出现峰前应力跌落现象。孔隙率为零的混凝土试样在无围压冲击荷载作用下具有明显的压剪破坏形式,而含孔隙的混凝土由于大量的孔隙存在导致孔隙间混凝土骨架的拉伸或剪切贯通破坏。在相同冲击荷载下不同孔隙率混凝土的破坏情况不同,孔隙率大的孔隙混凝土试样破坏严重,表明孔隙率对冲击载荷作用下混凝土试件能量耗散起着重要作用。     

Failure process and mechanism of sandstone under combined equal biaxial static compression and impact loading

The process and mechanism of impact fractures in sandstone were investigated under equal biaxial static compression. The cracking process was captured by a high‐speed video camera. The results indicate that the main crack propagates along the circumference and finally forms a crater‐shaped failure zone. The size of the crater‐shaped failure zone increases as the static stress and impact velocity increase. In addition, microscopic features of the fracture surface were observed using a scanning electron microscope. It was found that the microcracks expand after combination loading, making the rock more susceptible to damage. Finally, the influence mechanism of static loading on dynamic failure of the rock was revealed by theoretical analysis and numerical simulation.     

Numerical Studies on Stratified Rock Failure Based on Digital Image Processing Technique at Mesoscale

This paper investigates the failure behaviors of stratified rocks under uniaxial compression using a digital image processing (DIP) based finite difference method (FDM). The two-dimensional (2D) mesostructure of stratified rocks, represented as the internal spatial distribution of two main rock materials (marble and greenschist), is first identified with the DIP technique. And then the binaryzation image information is used to generate the finite difference grid. Finally, the failure behaviors of stratified rock samples are simulated by FDM considering the inhomogeneity of rock materials. In the DIP, an image segmentation algorithm based on seeded region growing (SRG) is proposed, instead of the traditional threshold value method. And with the new proposed image segmentation algorithm, the mesostructure of stratified rocks can be fully acquired. In the process of simulation, to sufficiently capture the inhomogeneity of stratified rocks, mechanical properties of each rock material are all characterized by the Weibull statistical manner. Several cases of stratified rocks with different homogeneity indices of rock materials have been discussed under two compression loading conditions considering the anisotropy of stratified rocks to some extent. Results from numerical simulations show that the inhomogeneity of stratified rocks arising from the presence of different rock materials has a great influence on the failure behaviors of stratified rocks and that the numerical failure behaviors of stratified rocks without confining stresses applied agree quite well with the general observations reported in the literature.     

岩石在动载作用下破坏模式与强度特性研究

岩石在高应变率下的破坏类型及动态强度理论是工程爆破中的一个重要的基本问题。以往研究岩石的破坏类型只停留在静载作用下,而其强度理论也多采用静态强度理论。作者利用ＳＨＰＢ装置对常见的四种岩石进行了大量冲击试验。结果表明,岩石在冲击载荷作用了下破坏分为四种类型：压剪破坏,拉应力破坏,拉应变破坏和卸载破坏,而且其破坏强度随冲击速度的提高而提高。最后对强度理论作了讨论。     

Numerical investigation of dynamic crack branching under biaxial loading

Dynamic crack growth and branching of a running crack under various biaxial loading conditions in homogeneous and heterogeneous brittle or quasi-brittle materials is investigated numerically using RFPA2D (two-dimensional rock failure process analysis)-Dynamic program which is fully parallelized with OpenMP directives on Windows. Six 2D models were set up to examine the effect of biaxial dynamic loading and heterogeneity on crack growth. The numerical simulation vividly depicts the whole evolution of crack and captured the crack path and the angles between branches. The path of crack propagation for homogenous materials is straight trajectory while for heterogeneous materials is curved. Increasing the ratio of the loading stress in x-direction to the stress in y-direction, the macroscopic angles between branches become larger. Some parasitic small cracks are also observed in simulation. For heterogeneous brittle and quasi-brittle materials coalescence of the microcracks is the mechanism of dynamic crack growth and branching. The crack tip propagation velocity is determined by material properties and independent of loading conditions.     

冲击波作用下巷道破坏规律相似模拟研究

利用爆炸加载的方式,采用相似材料模拟试验方法,借助数字散斑观测手段(DSCM),研究不同炮孔位置和装药量条件下巷道变形破坏规律。试验结果表明,微量炸药引爆后,冲击应力波以巷道方向传递为主,巷道顶板附近形成裂纹、破碎或坍塌区;当装药量足够大时,冲击波对上部岩体破坏力明显增大,冲击能是影响巷道破坏程度的主要因素。试验结果还表明,高速冲击载荷作用下巷道围岩体破坏过程可分为拉剪裂缝、重复拉剪破碎和破坏三个阶段。其中,当炮孔距离巷道为450mm,装药量为6.0g时,巷道顶板附近出现裂缝,属于拉剪裂缝阶段;当炮孔距离巷道为300mm,装药量为6.0g时,巷道顶板附近裂缝较为发育,且巷道顶层出现部分塌落,属于重复拉剪破坏阶段;当炮孔距离巷道为200mm,装药量为8.0g时,巷道顶板出现塌落,且四周破坏,属于破坏阶段。研究结果为冲击地压巷道破坏预测和防治提供了有力参考。     

单层球面网壳动力失效全过程试验研究

为了更加深入研究单层球面网壳的动力失效。结合一个K6型单层球面网壳振动台试验,设计出一套描述单层球面网壳强振倒塌全过程的测试方法,包括:冲击法测试结构自振特性、低频调幅加载评估损伤程度和基频简谐加载监测结构失效过程。结合数据测量结果,描绘出结构倒塌过程的变形时程,分析结构的基频、阻尼及振型,记录杆件进入塑性的顺序,探索结构损伤演化的规律及倒塌破坏的机理。最后考虑材料的损伤,进行有限元模拟,验证了模拟方法的正确性。     

Computer Simulation of Normal and Oblique Impacts of Yawed Projectiles on Ceramic Targets

The investigation of a three-dimensional problem of normal and oblique interaction of yawed projectiles with ceramic plates in the velocity range up to 4000 m/s was carried out by the finite-element method. The paper presents an advanced constitutive model of AD995 Alumina. The model of a damaged medium is used; it is characterized by a possibility of crack initiation and propagation under impact loading. A kinetic fracture model of active type developed earlier for the simulation of fracture in various materials is used for numerical modeling of failure of ceramics at high velocity impact. Temperature effects are taken into account in the constitutive model.