基于HJC模型的煤岩冲击损伤特性研究

为研究煤岩的动态破坏特征和动力损伤特性,首先对煤岩试样进行了SHPB冲击压缩试验,分析了煤岩动态破坏的具体特征,然后在ANSYS/LS-DYNA平台上基于HJC材料模型进行了煤岩SHPB数值试验,对比试验实测值与数值模拟值,通过反演的方式确定了煤岩HJC材料模型的主要参数;最后基于HJC模型,通过数值模拟试验研究了煤岩...     

基于高速DIC的近场冲击下高强混凝土动态压缩性能研究

为了解近场冲击荷载作用下装配式预制桥梁结构高强混凝土材料的破坏特征及高应变率力学响应特征，采用100 mm大直径霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)对C60及C80两种高强度等级混凝土进行单轴冲击压缩试验。获得了混凝土的应力-应变曲线、动态弹性模量及动态增长因子等动态参数。利用高速数字图像相关(digital image correlation, DIC)技术对混凝土表面应变场进行研究，分析了试样破坏过程中裂纹扩展过程。试验结果表明：在高应变率下，高强混凝土试件的动态压缩强度呈现明显的率效应，但其弹性模量保持恒定；对数函数模型能够较好地表征混凝土的动态强度演化模式；宏观上可以将观察到的破坏模式划分为4种模式：完整试样、轴向劈裂、混凝土爆裂及粉碎；高应变率下，裂缝演化不稳定性增大，其扩展速率随应变率的增大而增大。     

普通混凝土HJC本构模型参数确定

Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型广泛应用于冲击爆炸作用下混凝土类材料的动态响应分析中。基于已有普通混凝土(单轴抗压强度≤60 MPa)的准静态单轴压缩实验、三轴围压实验、一维SHPB实验和一维平面应变Hugoniot冲击压缩实验数据,确定了一组适用于不同强度普通混凝土材料HJC本构模型的强度参数、率效应参数和状态方程参数取值。基于上述确定参数值通过LS-DYNA有限元分析软件,对十五组普通混凝土(单轴抗压强度13.5~58.4MPa)靶体的刚性弹体侵彻贯穿实验进行了数值模拟。通过与实验中弹体侵彻深度,贯穿残余速度以及弹体过载和靶内径向应力时程结果对比,验证了所确定模型参数的准确性。     

冲击载荷作用下砂岩破坏及能量耗变率效应的数值模拟研究

基于HJC动态本构模型,利用ANSYS/LS-DYNA对砂岩SHPB试验进行了数值模拟研究,通过砂岩基本力学参量确定了HJC模型中各参数。数值模拟结果表明:不同应变率下,数值模拟所得到的砂岩破坏程度与破坏方式与实验情况基本一致,随着应变率的增加,砂岩破坏程度逐渐增加,破坏方式主要以拉破坏为主;不同应变率下,砂岩破坏都是从边缘向内部扩展,破坏初期在试样中心都出现完整的柱芯,但是高应变率下砂岩破坏速度更快;对砂岩破坏过程中的能量耗散特征进行了分析,随着应变率的增加,试样破坏过程中耗散能量呈线性增长。数值模拟结果与现有试验结果有较好的吻合,能够作为高应变率下岩石力学特性及能量耗散等研究的方式。     

基于细观模拟的碾压混凝土尺寸效应律研究EI北大核心CSCD

关于混凝土类材料准静态尺寸效应研究已经相对完善,然而受试验设备及条件限制较高应变率下混凝土材料的尺寸效应行为仍需进一步研究。同时作为组分特殊的一种混凝土材料,碾压混凝土动态尺寸效应研究对碾压混凝土坝抗冲击防护研究具有重要意义。将混凝土视为粗骨料、砂浆基质、界面过渡层组成的三相复合材料,建立了不同尺寸碾压混凝土圆柱形试件,对不同应变率下碾压混凝土压缩特性进行了模拟与分析。研究结果表明:与常态混凝土类似,动态荷载(ε^(·)>30 s^(-1))下碾压混凝土尺寸效应行为与静态荷载下相反,即动态抗压强度随试件尺寸增长而增强;动态尺寸效应与应变率呈现相关性,应变率越高,动态尺寸效应越显著,这与碾压混凝土SHPB(the split Hopkinson pressure bar)试验结果相验证;当应变率ε^(·)=1~30 s^(-1)时,尺寸效应并不显著,不同尺寸试件的抗压强度相差不大;准静态荷载ε^(·)=1×10^(-5) s^(-1)下,碾压混凝土抗压强度随尺寸增加而降低。最后,基于Bazant尺寸效应对碾压混凝土尺寸效应律进行了量化分析。     

水下和空中爆炸时混凝土重力坝动态响应对比分析

由于水和空气的物理属性差异以及与爆炸产物的界面作用效应不同,使得水下和空中爆炸冲击波传播特性及其荷载作用下的大坝结构动态响应存在较大的差异。通过构建混凝土重力坝水下爆炸和空中爆炸的全耦合数值仿真模型,考虑炸药起爆、冲击波传播、冲击波与结构的相互作用以及结构的动态响应等复杂过程,在对比分析爆炸冲击波在水下和空中传播特性的基础上研究了水下和空中爆炸冲击波对大坝动态响应及损伤程度的影响。研究表明,水下爆炸冲击荷载作用下混凝土重力坝动态响应及损伤程度均较同等炸药量下空中爆炸冲击荷载作用时大;在研究水工大坝抗爆性能时,应重点关注水下爆炸冲击波传播的特性及大坝在水下爆炸荷载作用下的动态响应。     

玄武岩纤维混凝土的冲击力学行为及本构模型

采用Φ100mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置研究了玄武岩纤维混凝土在不同应变率下的冲击力学行为,并将其与基体混凝土进行对比分析;采用朱-王-唐(ZWT)模型,在试验研究的基础上,建立了考虑纤维三维随机分布效应的玄武岩纤维混凝土非线性粘弹性本构模型,并与SHPB试验结果进行比较。结果表明:玄武岩纤维混凝土的冲击压缩强度与能量吸收能力,较素混凝土有明显提高,具备优异的冲击力学性能;本构模型提供的理论曲线与试验曲线比较接近,改进后的ZWT模型可以较为准确地描述玄武岩纤维混凝土的高应变率力学行为。     

纤维高强混凝土的动态力学性能试验研究

为研究纤维高强混凝土材料在冲击荷载下的动态压缩性能,采用大尺寸φ75mm Hopkinson压杆,对三种纤维含量的钢纤维高强混凝土、PVA纤维高强混凝土试件进行了三种应变率范围的冲击压缩试验,得到了它们在较高应变率范围内的动态应力-应变关系。试验表明纤维高强混凝土材料为应变率敏感性材料,在较高应变率范围内纤维高强混凝土材料的动态应力-应变关系是与应变率相关的。纤维高强混凝土材料的破坏应力和破坏应变随应变率的增大而增大。钢纤维和PVA纤维对混凝土耗能能力的改善和提高表现在材料达到峰值应力后开始破坏的过程中。同时也对两种纤维高强混凝土材料的纤维增韧特性及耗能机理也进行了分析和探讨。     

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．     

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。     

EPS混凝土的冲击力学行为及本构模型

采用大直径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置研究了多种EPS体积掺量的EPS混凝土在不同应变率下的力学行为。分析了平均应变率以及EPS体积掺量对EPS混凝土的冲击力学性能的影响。采用朱-王-唐(ZWT)模型,在试验研究的基础上,建立了EPS混凝土非线性粘弹性本构模型。结果表明：在高应变率条件下,EPS混凝土的动态抗压强度与极限应变随平均应变率的提高近似线性增长,呈现出显著的应变率相关性。随着EPS体积掺量的增加,混凝土的动态抗压强度和弹性模量降低,变形能力得到改善。本构模型提供的理论曲线与试验曲线比较接近,ZWT模型可以较为准确地描述EPS混凝土的高应变率力学行为。     

玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土的动态本构模型

以矿渣与粉煤灰为原材料制备玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土(BFRGC),采用φ100mm分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对BFRGC进行了冲击压缩试验,并对SHPB试验过程中的波形整形技术展开了研究,以此来提高材料SHPB试验的精度。通过SHPB试验,获得了BFRGC在10s-1―102s-1应变率范围内的应力-应变曲线,分析了BFRGC的强度和变形性能,并建立了BFRGC的率型非线性粘弹性本构模型。通过试验对模型进行验证,模型曲线与试验曲线吻合良好,该文建立的率型本构模型可以较为准确地描述BFRGC的动态力学行为。     

混凝土材料的动态压缩破坏机理及本构关系

为研究混凝土材料的动态性能,利用直径φ100 mm的SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)装置对骨料尺寸为15 mm～20 mm的混凝土材料试样进行了应变率范围30s(-1)～180s(-1)的动态压缩试验,并借助高速摄影装置获得了试样的变形与破坏过程,结果表明:在动态压缩强度附近应力区,材料表面先出现一条沿试样轴向的可见宏观裂纹,而多条主裂纹的形成与扩展才导致材料的最终破坏;建立了改进的ZWT模型,模型预测结果与试验结果较吻合.     

分离式霍普金森压杆试验中工程材料端面摩擦模型的确定

分离式霍普金森压杆(SHPB)是一种最常用于工程材料高应变率下动态压缩力学性能的技术。在SHPB试样与压杆的接触界面间不可避免地存在端面摩擦效应,这将导致SHPB试样内的应力状态可能偏离一维应力状态,而SHPB试样内的一维应力状态是决定SHPB试验结果准确性的基本假设之一。基于动摩擦试验结果,建立了端面动摩擦模型以描述端面动摩擦系数随SHPB试样与钢压杆接触界面间最大径向相对滑动速度的关系。结果发现本文提出的端面动摩擦模型可很好地拟合     

喷层混凝土-围岩组合体波动特性及动力特性研究

针对早龄期喷层混凝土与围岩黏结面近区介质的动态冲击问题,利用Φ75 mm SHPB试验装置,分别对龄期为3 d,7 d,10 d喷层混凝土-围岩组合体试件进行SHPB试验,对其应力波传播规律及其动态力学特性进行了研究。试验结果表明:透射系数与冲击速度和混凝土龄期密切相关,随冲击速度的增大,不同龄期试件透射数均呈减小的变化趋势,相同冲击速度下,透射系数随试件龄期的增大而增大;随着应变率的增大,试件混凝土破坏模式由张应变破坏向压剪破坏转变,岩石呈现出张拉破坏特征;组合体动态抗压强度及动态强度增长因子随应变率的增大而增大;应变率大于80 s~(-1)时,3 d龄期试件表现出塑性特性,7 d和10 d龄期试件则表现出脆性特性。     

超高韧性水泥基复合材料动态压缩力学性能的数值模拟研究

该文基于HJC本构模型,采用分离式霍普金森杆（SHPB）压杆系统,对掺有聚乙烯醇（PVA）纤维的超高韧性水泥基复合材料（PVA-UHTCC）的动态压缩力学性能进行了数值模拟研究。首先,通过系统分析确定了21项HJC本构参数,并验证了模拟的正确性。基于此,通过分析5组应变率下材料的动态压缩应力-应变曲线讨论了峰值应力动态增强因子DIF的应变率效应,并通过LS-DYNA软件探讨了破坏过程、破坏形态与应变率的关系。模拟结果表明:随着应变率的增加,PVA-UHTCC材料的动态压缩应力-应变曲线呈现由应变硬化主导向着损伤软化主导的转变趋势;此外,PVA-UHTCC峰值应力动态增强因子DIF具有明显的应变率效应,其值随着应变率增加而增加,且在不同应变率区间呈现不同敏感性;通过量化DIF这种分区敏感性,提出了适用于PVA-UHTCC材料的DIF与应变率对数lgε分段函数式;同时,通过对比钢纤维增强水泥基材料（SFRCC）和普通混凝土材料,发现PVA-UHTCC材料的DIF应变率敏感性较低。最后,通过LS-DYNA软件模拟试件裂缝扩展和压碎破坏过程,更好地理解了PVA-UHTCC材料动态压缩破坏行为。     

脆性材料水泥砂浆多轴应力下的动态响应分析

在实际的结构应用中,混凝土类材料一般处于复杂工作应力状态,且可能承受动态荷载的作用。据此,本文采用Instron3421液压伺服试验机和具有主动围压加压装置的SHPB研究了混凝土材料-砂浆宽应变率范围多轴应力下的动态力学行为;基于Johnson-Cook强度模型框架,确定了等效强度模型的率相关参数及其他材料常数;提出了适用于描述主动围压下砂浆受冲击荷载的损伤演化规律,并确定了损伤演化常数,实验数据与理论值吻合较好     

不同饱水度红砂岩静态本构关系及动态力学性能研究

基于电液伺服压力试验机和φ100 mm SHPB试验平台,分别对四种饱水度红砂岩试样进行静态压缩试验和六种应变率的动态冲击试验;借鉴宏观唯象损伤力学概念及Lemairte损伤模型,依据不同饱水度红砂岩静态压缩试验结果,拟合得到分段式水软化-应变损伤本构关系,最后利用所得本构关系,对静态压缩试验结果进行合理分析;SHPB冲击试验结果表明:(1)各饱水度红砂岩均呈现出明显的应变率效应,峰值应力、峰值应变及峰值模量均随着应变率的增大而增大;(2)在水-岩-力的响应体系中,既存在水对岩石的软化作用,同时又存在应变率、孔隙水以及岩石结构之间的动力耦合强化作用,这两种作用始终存在,但随着应变率的变化,两种作用的效能发挥有所浮动,进而影响红砂岩所呈现出的性能。     

一种弹芯用聚碳酸酯的动态力学性能研究及本构关系

为了研究一种弹芯用聚碳酸酯材料在冲击作用下的动态力学响应,利用材料试验机和SHPB装置对该材料在不同应变率条件下动静态压缩性能进行测试分析,获得了该聚碳酸酯材料不同应变率下的应力应变曲线,试验结果表明:聚碳酸酯材料的压缩过程呈现明显的黏弹性现象,其动静态屈服强度和模量随着应变率的增加而变大,塑性阶段表现为应变软化与应变硬化相互作用的结果,且不同应变率下塑性阶段的应力应变曲线切向模量近似相等;基于试验结果建立了描述聚碳酸酯材料大变形力学行为的黏弹塑性本构模型,并得到了该材料的本构方程。对比分析显示,该模型可以较准确地描述聚碳酸酯材料动静态压缩行为。