基于变形场时空演化的煤冲击劈裂试验研究

采用霍普金森杆冲击加载装置,通过高速摄影机搭建实验的数据采集系统,以数字散斑相关方法作为实验的观测手段,对巴西圆盘煤试件在冲击载荷作用下的冲击劈裂变形场演化规律及裂隙扩展特征进行实验研究。试验结果表明:1从变形场演化特征分析,加载初期变形场相对均匀,随荷载增加变形局部化特征明显。变形场时空演化总体表现为两个阶段特征:峰前水平方向变形量值变化较快,垂直方向变形量值变化较慢;峰后由于裂隙演化,水平方向变形量值变化缓慢,垂直方向变形量值变化较快;2霍普金森杆加载过程中,在试件两端加载处出现了局部压碎区,加载过程中主裂纹从压碎区域萌生并沿径向加载方向扩展至另一端贯通破坏;3实验测得煤样在冲击载荷作用下峰前应力随应变呈线性增长,弹性模量与静荷载相比有较大提高,由于压碎区域存在,冲击加载实验得到的煤试件拉伸强度与实际相比偏小。     

冲击载荷下煤样动态拉伸劈裂能量耗散特征实验

为研究煤样动态拉伸变形破坏过程中的能量耗散规律,利用分离式霍普金森杆冲击加载系统,对煤样进行冲击条件下巴西圆盘劈裂试验,探讨了冲击速度、层理倾角及饱和含水对煤样总吸收能密度、总耗散能密度和损伤变量的影响;同时将煤样破碎后产生粒径为0~0.2 mm和0.2~5 mm的碎屑进行收集,并对不同尺寸碎屑的分布特征进行了对比分析。研究表明:同一层理倾角的自然煤样损伤变量随着冲击速度的增加呈近似线性增加,饱水煤样损伤变量整体随冲击速度增大呈指数函数增加;相比于自然煤样,饱水煤样粒径为0~0.2 mm的碎屑量减少了14.1%~31.3%,粒径为0.2~5 mm的碎屑量减少了33.7%~53.0%;但当层理倾角为45°时,饱水煤样碎屑量质量百分比反而比自然煤样要大。     

基于计算机系统的霍普金森压杆测试装置的应用

为了揭示煤岩体动态力学性能,基于一维应力波理论,结合计算机技术、信号采集及滤波技术、新型传感器技术,研制了霍普金森压杆实验设备。霍普金森压杆实验设备主要包括4部分,电磁阀控制的动力系统,由子弹、输入杆、输出杆和吸收杆等组成的压杆系统,由子弹速度测试系统、输出杆和输入杆应变采集系统及数据处理分析等组成的测量记录系统,SHPB处理软件。利用该实验设备对煤试样的动态力学特性进行了测试,测试结果良好。     

霍普金森压杆实验在爆破中的应用

通过对大孤山铁矿现场取岩样,加工处理后,借助霍普金森压杆对岩石做动态冲击实验,得出岩石破碎所需的有效能耗,即用最少的炸药达到最优的爆破效果,减少爆破成本,以此指导爆破设计。     

冲击载荷作用下煤岩破碎与耗能规律实验研究

为了探索煤岩在冲击过程中的破坏特征和能量耗散规律,利用Φ75 mm霍普金森压杆(SHPB)实验装置,对煤岩试件进行不同应变率条件下的冲击压缩实验,分析了冲击加载速率对煤岩破碎耗能和块度分布的影响。实验结果表明:在实验应变率范围内,随着子弹速度的提高,应变率和应力波携带的能量均呈线性增长,而煤岩破碎耗散能则呈指数上升。通过对实验碎块进行块度分维,发现随着应变率的提高,试件的耗散能密度快速增大,煤岩碎块的分形维数就越大,块度越细,破坏的程度越剧烈。分形维数与应变率及耗散能密度之间呈对数增长的关系,即分形维数增大的趋势变缓。     

不同应变率下煤岩冲击动力试验研究

利用75 mm的分离式霍普金森压杆（SHPB）实验系统,对煤岩进行不同应变率下冲击压缩试验。实验结果表明：煤岩微细观特征复杂,离散性强;煤岩在低应变率下多呈轴向劈裂破坏,高应变率下呈现出压碎破坏;冲击过程中能量随着应变率的增大而增大,耗散能与应变率基本呈弱幂函数关系或线性分布关系;煤岩破碎块度分维与应变率呈线性相关,分形维数在1.7~2.2范围内,应变率越大,块度越小,分形维数越大,煤岩耗散能量越大。     

含水煤样动态拉伸能量演化与破坏特征试验研究

为研究不同含水煤样动态拉伸变形破坏过程的能量耗散规律,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对不同含水煤样进行冲击加载下的动态劈裂试验,并结合超高速数字图像相关(DIC)试验系统对煤样动态拉伸破坏过程进行观测。基于试验结果分析,获得了煤样破坏过程能量耗散特性随含水率的变化规律,分析了含水率对破碎煤样分形维数的影响。研究结果表明,冲击载荷下应力波是煤样内部大量微损伤结构及原生孔隙、空隙损伤演化的主控因素,煤岩体破碎是一个能量吸收与耗散的过程,随着冲击载荷的增加煤样耗散能密度呈线性增大,但当入射能较小时煤样耗散能密度值相差不大;试样分形维数随加载气压的增加而增加,且增加速率有减小趋势,同种加载气压下,饱和煤样的分形维数最大,干燥煤样的最小;煤样破坏主要以拉伸劈裂为主,破坏裂纹沿加载方向发育,率先在圆盘中部起裂,随后萌生多条次生裂纹,次生裂纹随加载气压的增大而增多,低加载气压下,劈裂裂纹在煤样中的扩展时间较长,扩展速度较慢;基于数字图像技术发现冲击载荷下饱和煤样中部出现多个主应变集中域,且范围逐渐扩大最终沿径向发育贯通。     

冲击加载作用下矿石试件的动态力学特性及块度分布特征

矿石的动态力学特性影响其破碎效果。利用[?]50 mm霍普金森杆系统改变冲击荷载对矿石A、矿石B试件进行16次动态压缩实验，分析冲击气压对矿石应变率的影响，对抗压强度与应变率之间的关联性做了初步研究；统计破碎后的矿石块度筛分数据，分析块度的分布特征。结果表明：冲击速度在12~16 m/s范围内时每增大1 m/s时，矿石B的动态抗压强度增大8.3 %，矿石A的动态抗压强度总是低于矿石B，且矿石A、矿石B抗压强度随着应变率的增加呈指数型增长；随着耗散能量的增加矿石块度破碎的程度越大，矿石B筛分破碎块度的整体通过率要低于矿石A，表明矿石B内部固有大量微缺陷在吸收能量变形中加速了裂纹的闭合，与矿石A相比，强度增大且破碎程度较为平缓。     

冲击加载作用下矿石试件的动态力学特性及块度分布特征

矿石的动态力学特性影响其破碎效果。利用[?]50 mm霍普金森杆系统改变冲击荷载对矿石A、矿石B试件进行16次动态压缩实验，分析冲击气压对矿石应变率的影响，对抗压强度与应变率之间的关联性做了初步研究；统计破碎后的矿石块度筛分数据，分析块度的分布特征。结果表明：冲击速度在12~16 m/s范围内时每增大1 m/s时，矿石B的动态抗压强度增大8.3 %，矿石A的动态抗压强度总是低于矿石B，且矿石A、矿石B抗压强度随着应变率的增加呈指数型增长；随着耗散能量的增加矿石块度破碎的程度越大，矿石B筛分破碎块度的整体通过率要低于矿石A，表明矿石B内部固有大量微缺陷在吸收能量变形中加速了裂纹的闭合，与矿石A相比，强度增大且破碎程度较为平缓。     

冲击载荷作用下硬煤的动态力学特性研究

为研究硬煤在动载荷作用下的力学特性,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)测试系统开展了径向自由和被动围压2种约束状态下不同冲击速度的硬煤试件冲击压缩试验,研究了硬煤的动态力学特性及其随应变率、约束状态的变化规律,分析了试件的破坏形态,并结合声波测试研究了被动围压时硬煤试件的损伤特性。研究结果表明:冲击速度、约束状态对动态抗压强度峰值和应变率的影响很大,径向自由时动态抗压强度峰值与应变率呈线性增长关系、被动围压时动态抗压强度峰值随应变率的增大而减小;动态抗压强度峰值随冲击速度的增大呈对数关系,随冲击速度的增大,且被动围压时动态抗压强度峰值增长更快;径向自由时,试件的破坏以劈裂破坏和压碎破坏为主,破碎形态和块度取决于冲击速度,被动围压下试件能够保持完整、仅表面和边缘出现裂纹;被动围压条件下,试件的损伤程度与冲击速度呈指数关系。     

煤岩材料SHPB实验被动围压数值模拟研究

煤岩动力灾害严重威胁着煤矿的安全高效生产,研究煤岩材料在复杂应力状态下的动态力学性能对煤岩动力灾害的预测预防有重要意义。利用有限元分析软件LS-DYNA,采用岩石的Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型,对煤岩SHPB实验进行数值模拟,在模拟结果与实验结果相似性较好的基础上,对煤岩SHPB被动围压实验进行数值模拟。结果表明:围压套筒的弹性模量、厚度、摩擦因数及套筒与试件的间隙对煤岩材料的动态力学性能有显著影响。根据研究成果,在工程中可为煤柱增加一外加层,通过合理设计外加层的弹性模量、厚度、间隙及摩擦因数等参数,增强煤柱的抗冲击能力。     

冲击荷载作用下的煤岩动力学特性及本构模型

为了研究煤岩的动态破坏特征和动力学损伤特性,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)和应力加载系统,对煤岩试样进行了冲击试验和单轴压缩试验;根据应力-应变试验曲线的特征,在过应力模型上,应用连续损伤理论与统计强度理论,建立了适合煤岩动力学特性的过应力损伤模型。结果表明:动载作用下,当应变率较小时,煤岩破碎方式与静载作用时间具一定的相似性;随着应变率的增大,动载破坏强度显著增大,动态模量先增大后保持不变,塑性变形先增大后减小,应力-应变曲线具有明显的塑性流动特性。采用建立的煤岩过应力损伤模型本构方程对试验曲线进行拟合,通过两者的对比,验证了模型的正确性。     

基于层叠模型组合煤岩体动态力学本构模型

为研究冲击载荷下组合煤岩的动态力学特征,利用75 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统,对不同组合比煤岩样(砂岩∶煤∶砂岩分别显1∶1∶1,2∶1∶1,1∶1∶2,1∶2∶2)进行不同速率(4.590～8.791 m/s)的冲击加载实验,获得了组合煤岩的动态应力-应变曲线,结合煤、岩本构的研究成果和层叠模型原理,并充分考虑了组合煤岩体在动态破坏过程中的应变率相关性和损伤特性,构建了7参数组合煤岩层叠本构模型。研究结果表明∶① 不同组合比煤岩的弹性阶段和塑性阶段持续时间不同,不同组合比煤岩的应力应变曲线前期均呈现出明显的非线性;② 组合煤岩动态冲击屈服强度随应变率的增大而增大,随煤的占比增大而减小;③ 构建的7参数组合煤岩层叠本构模型数值拟合曲线与实测动态本构曲线具有较好的一致性,拟合参数分析发现在中应变率(110.41～195.49 s-1 )冲击载荷作用下,组合煤岩体损伤软化效应超过应变率强化效应成为主导因素;④ 拟合参数范围和试样冲击破坏特征均表明,组合体试件主要破坏部位以煤体破坏为主,不受组合方式的影响。研究成果为进一步深入认识冲击地压等煤岩动力灾害发生机理和预测预防措施提供参考借鉴。由于组合煤岩冲击破坏SHPB实验条件有限,并未考虑围岩影响,围压下的组合煤岩动态破坏特性有待利用实验和数值模拟手段进一步研究。     

基于HJC本构模型的煤岩SHPB实验数值模拟

利用有限元软件LS-DYNA,采用岩石的Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型,对煤岩霍普金森压杆(SHPB)实验进行数值模拟,再现了煤岩在冲击实验过程中的应力波形、应力波的震荡现象及试件的损伤过程,通过对比发现模拟结果与实验实测结果具有较好的相似性,HJC本构模型可以合理地再现煤岩受冲击破坏的动态过程。研究发现:1)试件均在周边开始破坏,破坏形式以沿轴向方向的劈裂破坏为主;2)当冲击速度为3 m/s左右时,煤岩的破坏受压缩和拉伸共同作用;当冲击速度为9 m/s左右时,煤岩的破坏主要受冲击压缩的作用;3)煤岩的破坏与应力峰值并不同步,当动载较低时,试件的破坏滞后于应力峰值;而动载较高时,试件的破坏超前于应力峰值。     

岩石试件SHPB劈裂拉伸试验中能量耗散分析

利用直径50 mm变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对厚径比0.5的煤矿砂岩巴西圆盘试件进行对径加载,采取改变驱动气压的方法实施不同加载速率的动态劈裂拉伸试验。研究了砂岩试件动态劈裂拉伸破坏过程中的能量构成和耗散特征;尝试从能量角度出发,对砂岩试件动态劈裂拉伸破坏形态、平均应变率效应和动态拉伸应力强度进行能耗分析;发现试件吸收能量绝大部分耗散于岩石的损伤演化和变形破坏,可以较好地反映砂岩试件在冲击载荷作用下的抗拉性能变化。结果表明：砂岩试件拉伸应力强度与吸收能量随平均应变率增加近似对数关系增加,表现出显著的应变率相关性。研究成果可为岩石类脆性材料动态拉伸力学性能研究提供参考。     

用SHPB径向冲击边裂纹平台圆环(ECFR)的动态断裂实验

为了研究岩石的Ⅰ型动态断裂韧度测试方法,用大直径(100 mm)分离式霍普金森压杆(SHPB)对边裂纹平台圆环(edge cracked flattened ring,ECFR)砂岩试样进行径向冲击实验。分别用普通应变片和高精度裂纹扩展计2种测试元件监测试样起裂时刻和测定裂纹传播速度,比较了它们的准确性和合理性。用实验-数值结合普适函数分析测定了砂岩的动态起裂韧度和动态扩展韧度,初步探讨了动态加载率影响动态起裂韧度的原因,以及裂纹扩展速度对动态扩展韧度的影响,对ECFR试样裂纹扩展路径弯折现象也进行了理论分析。研究结果表明：裂纹扩展计测定比应变片更为灵敏、准确、合理。加载率在(0.74~4.48)×104 MPa·m1/2/s范围内动态起裂韧度随动态加载率的增大而增大,裂纹扩展速度在(0.24~0.34) cR范围内动态扩展韧度随裂纹扩展速度的增大而提高。     

动荷载下峰后破裂砂岩能量耗散特征研究

采用霍普金森压杆(SHPB)实验装置对经静态压缩制备的峰后破裂砂岩进行单轴冲击试验。基于SHPB试验能量理论,研究峰后破裂砂岩在动态破坏过程中的能量耗散特征,并与完整砂岩进行对比分析。研究结果表明:动荷载作用下峰后破裂砂岩单位体积吸收能与入射能呈线性关系,且峰后破裂砂岩单位体积吸收能对入射能的敏感性低于完整砂岩;峰后破裂砂岩的破坏形态与试样吸收能量的大小相关,且存在一个吸收能量值使得峰后破裂砂岩和完整砂岩破坏程度的相对性发生改变。