轴向冲击下弹性杆中轴向静载对入射波的影响

针对动静组合加载试验装置和一维应力波理论的研究现状,研究了轴向静载荷的大小对弹性杆上入射波的影响。首先,以动静组合加载试验装置中具有轴压的入射杆和轴压端帽为研究对象,利用一维应力波理论,研究冲头以一定速度撞击轴压端帽时,入射杆上的入射波与轴压的关系。进而,通过分析自由弹性杆与具有一定轴压的弹性杆共轴撞击,研究轴向静载荷的大小对入射波峰值应力和波长的影响。最后,利用动静组合加载试验装置和激光测速仪进行试验研究,验证理论分析结果的正确性。结果表明：弹性杆中轴向静载荷的大小对其上入射波影响较大,轴向静载荷与入射波峰值应力具有线性关系;轴压越大,入射波峰值应力越小,入射波波长越小。加载应力波上升沿时间越长,轴向静载荷对入射波波长影响越大。     

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。     

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.     

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。     

标定高g值加速度传感器的方法

本文探讨了标定高ｇ值加速度传感器的新方法，用一端受轴向冲击的等截面均匀细杆产生的应力波作为标定加速度传感器的冲击脉冲，给出了自由杆的一端加速度和杆上的应用变关系为ａ＝－２Ｃ０ｄε／ｄｔ（ε为杆上的应变， Ｃ０为应力波传播速度）以及标定系统。     

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.     

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。     

标定高g值加速度传感器的方法

本文探讨了标定高ｇ 值加速度传感器的新方法，用一端受轴向冲击的等截面均匀细杆产生的应力波作为标定加速度传感器的冲击脉冲，给出了自由杆的一端加速度和杆上的应变关系为ａ ＝ － ２Ｃ０ｄεｄｔ（ε为杆上的应变，Ｃ０ 为应力波传播速度） 以及标定系统     

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。     

煤矿泥岩冲击动态力学特性与破裂破碎特征分析

煤矿巷道围岩在采掘过程中受多种动载作用,为了研究动载对围岩破坏变形的影响,通过直径50 mm分离式Hopkinson试验装置开展不同冲击气压下煤矿常见泥岩在冲击荷载作用下的动态力学特性和破裂破碎特征试验,研究了不同冲击气压状态下试件应力应变特征、破坏形态和试件动态强度随应变率增长规律,分析了试验过程中应力波传播与试件裂纹扩展的关系。结果表明:在设定的试验条件下,泥岩试件的加载率、应变率和峰值应变均表现出随冲击气压的增大而增大;试件的动态单轴抗压强度随着应变率的增加呈现指数型增长,表现出强应变率效应;试件在反射应力波与透射应力波共同作用下,产生环向拉裂破坏和轴向劈裂破坏。     

活性粉末混凝土的层裂性能研究

采用60%的超细工业废渣取代水泥制备了一种生态型的活性粉末混凝土(RPC),采用分离式霍普金森压杆装置对不同纤维掺量的RPC材料进行了层裂性能实验.研究得出了入射波强度和冲击次数对层裂过程中应力波传播的影响规律.按一维弹性波理论编写了入射压缩波和反射拉伸波在试件自由端附近相互作用的程序,计算出试件自由端附近拉应力的分布,由试件的层裂位置得到材料的层裂强度.结果表明,随着入射波强度的增加和冲击次数的提高,材料的拉伸损伤逐渐增加,反射拉伸波的强度逐渐降低.RPC材料层裂强度和破坏形态具有明显的应变率效应,层裂强度和破坏程度随着应变率的提高而增加.通过纤维的增强作用,层裂裂缝的宽度和深度都降低了.     

UHPC三轴受压力学性能研究

为了研究三轴受压下UHPC的受力性能,以围压大小和钢纤维掺量为试验参数,进行20组UHPC试件常规三轴试验,分析UHPC的破坏形态、应力-应变曲线、峰值应力和应变等力学性能。结果表明：围压和钢纤维掺量均为零的试件破坏时呈劈裂破坏,其他试件则呈剪切破坏;围压和钢纤维掺量对应力-应变曲线弹性模量和弹性段曲线形状影响较小;随着围压增大,峰值应力和应变呈不断增大趋势;随着钢纤维掺量增大,峰值应力和轴向峰值应变呈先增大后不变和先增大后减小趋势,环向峰值应变则呈增大趋势。通过对UHPC八面体正应力-体积应变和剪应力-剪应变关系进行分析,基于Drucker-Prager二参数准则,建立了UHPC八面体破坏准则计算方法。     

圆高强钢管UHPC梁抗弯性能研究

为了研究三轴受压下UHPC的受力性能,以围压大小和钢纤维掺量为试验参数,进行20组UHPC试件常规三轴试验,分析UHPC的破坏形态、应力-应变曲线、峰值应力和应变等力学性能。结果表明：围压和钢纤维掺量均为零的试件破坏时呈劈裂破坏,其他试件则呈剪切破坏;围压和钢纤维掺量对应力-应变曲线弹性模量和弹性段曲线形状影响较小;随着围压增大,峰值应力和应变呈不断增大趋势;随着钢纤维掺量增大,峰值应力和轴向峰值应变呈先增大后不变和先增大后减小趋势,环向峰值应变则呈增大趋势。通过对UHPC八面体正应力-体积应变和剪应力-剪应变关系进行分析,基于Drucker-Prager二参数准则,建立了UHPC八面体破坏准则计算方法。`     

不同初始损伤混凝土动态轴向拉伸试验研究

利用MTS-NEW810动态试验机,通过对30根混凝土棱柱体试件施加应力幅值为1 kN到5 kN、频率为5 Hz、应变速率为10~(-4)/s的5组不同循环荷载,研究不同初始损伤对混凝土棱柱体试件动态轴向拉伸特性的影响。研究结果表明,遭受初始损伤程度越严重,混凝土棱柱体试件动态轴向拉伸破坏断面越整齐,且破坏断面粗骨料被拉断数目越少;随着初始损伤程度的增加,混凝土棱柱体试件逐渐产生有不可恢复变形,随着损伤程度的增加,不可恢复变形的增幅明显增大;初始损伤程度对混凝土棱柱体试件动态拉伸应力应变关系曲线上升段影响较小;混凝土棱柱体试件动态轴向拉伸强度和峰值应变均受初始损伤程度影响不大。     

一维静载与频繁扰动共同作用下含铜蛇纹岩动力学特性

基于冬瓜山铜矿深部开采面临的高应力集中及爆破扰动的问题,采用改进的SHPB岩石动静组合加载试验系统,进行了含铜蛇纹岩在一维静载与频繁扰动共同作用下的动力学试验,研究其动力学特性。研究结果表明:预加轴压促使岩石内部微裂纹完全闭合时,岩石动态应力-应变曲线初始阶段不出现下凹现象,否则出现;岩石内部存储的弹性力大于扰动冲击应力时,岩石动态应力-应变曲线峰值应力后会出现回弹现象,否则不出现;动态峰值应力、动态变形模量随扰动冲击次数的增大而减小,60%单轴抗压强度的轴压时峰值应力最大;峰值应力均值随轴压的增大先增大后减小;最大应变、峰值应力对应应变随扰动冲击次数的增大而增大;累计扰动冲击次数最大值与均值都随轴压增大呈一元四阶多项式关系递减。     

轴向钢筋增强混凝土一维应力层裂实验研究

基于Φ74mmSHPB实验平台进行了混凝土及轴向钢筋增强混凝土(UDRC)杆的一维应力层裂实验,采用超高速相机拍摄实验中杆表面的实时变形情况,使用数字图像相关法(DIC)分析杆表面的位移场及应变场演化过程,探讨混凝土及增强混凝土在应力波加载过程中发生拉伸断裂(层裂)的规律,并进一步结合有限元分析了钢筋在层裂过程中的作用。结果表明:UDRC杆中应力波的传播满足一维应力假设;钢筋对UDRC发生拉伸层裂的影响可以忽略,而在混凝土基体断裂后将使结构保持完整;断裂试件中的裂纹在拉压应力波交替作用下反复张开闭合,随着应力波在杆中的衰减而趋于稳定;UDRC与混凝土的层裂强度基本相同,且具有相似的应变率增强效应;在实验加载范围内,光圆钢筋和螺纹钢筋的结构增强效果没有区别。     

基于全光纤激光干涉测速技术的拉氏反分析方法应用于脆性材料动态本构关系研究

基于多探头全光纤激光干涉测速技术,在分离式Hopkinson压杆系统上,搭建了长杆试件拉氏反分析实验装置,用于研究脆性材料的动态本构关系。为了监测长杆试件轴向质点速度,提出了激光斜入射新方法,并检验了新方法的可行性和准确性;基于一维应力波传播理论,建立了欧拉质点速度与拉格朗日质点速度之间换算关系,对于脆性材料而言,其断裂应变很小,在拉氏反分析时可以忽略两者之间的差异。利用实测的多质点速度时程曲线,通过构建路径线连接整个速度场,再结合零初始条件,实现了拉氏反分析方法的数值求解,获得了脆性材料有机玻璃(PMMA)的动态应力-应变曲线,并与Hopkinson压杆实验和准静态压缩实验的结果进行了对比。     

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。     

动载下结晶灰岩动力学性能研究

针对保留围岩在爆炸荷载下的稳定性问题,基于SHPB、二波分析和分形理论等,对不同应变率加载下云南某矿区结晶灰岩的应力-应变曲线、破碎形态、分型维数及能量耗散特性开展相关研究。试验结果表明：应变率为49.64 s^-1时,岩石试件破坏模式主要为轴向劈裂破坏;应变率为87.05 s^-1时的破坏模式为劈裂-剪切组合破坏;在动态抗压强度方面,随着应变率的增加岩石的动态抗压强度与之呈明显的线性正相关关系,与静态抗压强度相比,动态强度增长因子由1.19增长至2.86;随着应变率增加,分形维数表现出逐渐增大的规律,应变率在30.37～138.18 s^-1时,D_f值从1.96增加至2.23,但随着应变率的增加D_f最终趋于某一阈值;耗能密度随入射能量呈指数增长。研究结果提供了不同应变率冲击荷载下结晶灰岩的动态破碎和耗能规律,为此类矿区安全高效的爆破施工及类似工程设计提供依据。     

变截面直杆轴向拉压时的剪应力

本文对变截面杆在轴向拉压时的各横截面应力计算提出了各点除有不为常量的正应力外， 存有不为常量的剪应力，并论证了该剪应力沿截面高度，沿轴线长度向的分布规律，提出了剪应力计算公式。