循环动载下大理岩的力学响应及裂隙扩展规律

为研究大理岩在循环冲击载荷下的动态力学性能,利用分离式霍普金森压杆装置(SHPB)及核磁共振装置(NMR),研究循环动载(1～10 s~(-1))冲击下岩石内部的裂隙发展规律.结果表明:岩石在循环动载冲击下,峰值应力随应变率的增大变化很小,但是随着冲击次数增加,存在一个临界应变率或冲击次数,当达到该临界值时,峰值应变快速增大;岩石在最初冲击时,表现出明显的弹性后效,随着冲击次数增加,岩石内部裂纹起裂时间越来越早,且裂纹扩展越来越快,应变幅值增大;通过核磁共振成像发现,随着冲击次数的增加,裂隙集中发育(白色亮点)愈来愈明显,呈条带状分布,并逐渐贯通.从最终破坏形态来看,大理岩在动载下为轴向劈裂破坏,大块较多.     

不同饱水度下红砂岩动静态力学试验

基于φ100 mm SHPB试验平台和液压伺服试验机,对4种饱水度下红砂岩进行动、静态压缩试验,探究了饱水度对岩石强度、峰值应变、峰值模量及应变率效应的影响规律,并从细观角度对实验结论进行分析,得出:饱水度对岩石强度的影响存在临界值S_l,饱水度小于临界值S_l时,强度随饱水度的增加而线性降低,当饱水度达到S_l后,随着饱水度的增大,岩石强度的变化幅度非常小;峰值应变在饱水度为0.42时出现极小值,动态试验条件下的峰值应变对饱水度更为敏感;峰值模量随饱水度的增大而线性减小;从细观角度探究饱水度对峰值模量的影响,应主要把握3个关键参数:矿物颗粒和粒间胶结物的受力能力、协调变形能力以及孔隙发育程度;随着饱水度的增大,岩石力学性质的应变率效应越来越明显。其中,饱水度对岩石强度应变率效应因子影响最大,对峰值应变应变率效应因子影响次之,对峰值模量应变率效应因子影响最小。     

水-动力耦合作用下红砂岩动态强度及破坏机理

为探究水化学损伤下红砂岩的动态强度和破坏机理,通过自然、干燥和饱水红砂岩试样的静态单轴压缩和动态单轴冲击试验,结合岩石碎块的电镜扫描(SEM)图像,分析了不同含水状态和应变率荷载等级下岩石的强度特性,并基于损伤断裂理论分析了含水岩石微裂纹起裂和扩展机理.试验结果表明:红砂岩试样动态抗压强度随含水率的增加而降低,随应变率的增加而增大,饱水试样具有显著的应变率效应;冲击荷载下,饱水试样应力-应变曲线具有显著的体积压缩现象,峰值应变最大,塑性变形明显,而干燥试样弹性变形最大,峰前塑性变形最小;受孔隙水影响,饱水试样颗粒结构疏松多孔,胶结物质被溶蚀而使胶结作用弱化.根据最大周向正应力理论,对含水岩石的微裂纹起裂条件和扩展方向进行了讨论,并对裂尖的动态应力强度因子进行了修正.     

Fe-C合金动态拉伸力学性能温度和应变率效应分子动力学

爆炸冲击荷载作用下温度和应变率对钢材动态力学性能的影响一直备受关注。Fe-C合金体系是钢材的基本组成部分,本文以Fe-C合金为基本研究对象,采用分子动力学方法模拟九种温度和四种应变率条件下Fe-C合金的单轴动态拉伸过程。结果表明：在所研究的温度和应变率范围内,Fe-C合金弹性模量对于应变率变化不敏感,对于温度变化非常敏感,随着温度的升高,弹性模量明显减小;相同温度条件下,屈服强度和峰值应变随应变率的增大而增大;相同应变率条件下,屈服强度和峰值应变随温度的升高而减小;温度和应变率对屈服强度的影响不具有相关性。基于分子动力学模拟,建立的纳米尺度下Fe-C合金动态拉伸力学性能计算公式能反映温度和应变率效应的共同影响,为钢材在爆炸冲击作用下动态拉伸力学性能描述提供依据。     

岩石巴西圆盘的SHPB试验分析

为了研究花岗岩、千枚岩、磁铁石英岩不同应变率下三种岩石的拉伸敏感系数、弹性模量、能量耗散特征和破坏方式的变化规律,利用霍普金森试验装置对三种岩石进行动态平台巴西圆盘劈裂拉伸试验,试验结果表明:三种岩石的拉伸敏感系数随应变率的提高而增大,且应变率对拉伸敏感系数存在突变阈值;千枚岩和磁铁石英岩的弹性模量随应变率的增加而增大,花岗岩的弹性模量在应变率达到247.1 s-1以后基本不变;入射能、反射能、吸收能随着应变率的提高而增加,但试件吸收的能量相对于入射能是减小的,而透射能基本保持不变;三种岩石均沿加载直径方向劈裂,由中心起裂,满足了巴西圆盘试验的有效性,当应变率较大时,会在试样的加载端部的三角区出现粉碎区.     

不同应变率下流纹岩动态轴拉试验研究

岩石的破坏很大程度上取决于其抗拉强度.单轴直接拉伸试验是研究岩石动态力学性能的有效手段.流纹岩作为一种广泛存在的具有天然节理的岩石,研究其动态力学特性具有重要的工程意义.为研究流纹岩在地震荷载应变率范围内的力学性质,利用MTS322试验机对流纹岩在不同应变率(10~(-6)s~(-1)~10~(-3)s~(-1))范围内进行了动态轴向拉伸试验.试验结果表明在10-6s~(-1)~10~(-3)s~(-1)应变率范围内,流纹岩的抗拉强度随应变率提高有增大趋势,经过拟合可认为其抗拉强度提高系数与应变率提高系数的对数呈线性关系;岩石的弹性模量也随着应变速率的增加而增加,但增加幅度略小于峰值抗拉强度的增加幅度;峰值拉伸应变随应变率增大有增长的趋势,分布在110~130με;不同应变率下流纹岩轴拉应力-应变全曲线的形状有很好的相似性.     

考虑应变率效应的复合材料层合板冲击动态响应

基于对分离式霍普金斯拉杆试验结果的分析,建立了T300/epoxy复合材料考虑应变率效应的黏弹性本构模型,并将该模型引入有限元分析软件LS-DYNA,对T300/epoxy复合材料层合板进行了冲击动态响应模拟计算,计算结果与试验结果吻合较好,验证了模型的有效性.从层合板抗冲击性能的角度提出了有效冲击时间的概念,探讨了考虑应变率效应时复合材料层合板在高速冲击有效时间内的应力(应变)分布、挠度随冲击速度的变化等动态响应规律.分析发现:最大正应变和层间剪应力沿层合板边长方向的衰减先快后慢,衰减速度明显变小的范围大约在距弹着点20 mm附近;在相同冲击速度条件下,层合板的挠度随到冲击点距离的增大而减小,在2个垂直方向上挠度分布规律基本相同,层合板表现出整体变形的对称性;存在冲击影响域,在一定范围(10 mm)之外,冲击速度高时层合板的挠度反而小,冲击影响域也小.     

冲击载荷作用下砂岩的动力学特性及损伤规律

在单次冲击和重复冲击载荷作用下,利用大直径霍普金森压杆(SHPB)试验装置,对砂岩的动力学特性进行试验研究。从岩石的细观裂纹扩展和能量吸收的角度,分析岩石的破坏过程。基于Weibull分布的统计损伤理论,计算试件的损伤度,并结合应力-应变曲线分析岩石损伤度的演化规律。研究结果表明:砂岩的动态抗压强度和单位体积吸收能均表现较强的应变率效应,分别与应变率呈指数函数关系和线性关系。在重复冲击试验中,随着重复冲击作用次数的增加,试件的弹性模量降低,屈服应变增加,屈服应力呈降低趋势。此外,损伤度随着应变的增加逐渐增大,在应力-应变曲线的峰值强度处,损伤度出现一个明显的拐点,即在微裂纹进入不稳定扩展阶段,岩石损伤度迅速增大。     

高应变率下混凝土动态力学性能SHPB实验

利用φ100 mm霍普金森压杆试验设备,研究了混凝土材料在冲击荷载下的动态压缩性能,分析验证了实验结果的有效性、一致性和试样中的应力均匀性问题,得到了混凝土材料在较高应变率范围内的动态应力-应变关系.研究表明,混凝土材料的动态应力-应变呈非线性关系;混凝土材料为应变率敏感性材料,在较高应变率范围内混凝土材料的动态应力-应变关系是与应变率相关的;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.     

冲击荷载下含裂纹缺口三点弯动态断裂实验

为研究缺口大小对含裂纹缺口构件动态断裂的影响,采用动态光弹性实验方法,对含裂纹缺口试件进行了冲击实验.基于冲击断裂过程中试件的等差条纹变化图片和动态应变仪采集的应变数据,分析了冲击荷载下裂纹尖端的动态应力强度因子、裂纹扩展速度和锤头应变的变化规律.结果表明:不同缺口角度试件受到冲击荷载后,应力强度因子的变化随时间变化的趋势基本一致,应力强度因子的峰值随角度增大而增大,应力强度因子的峰值在缺口角度大于90°后增大更显著;锤头应变都表现出先压缩后拉伸然后逐渐震荡趋于平缓的变化规律,当缺口角度大于90°时,锤头的最大压应变增长趋势显著增加;不同缺口角度试件的裂纹扩展速度随时间变化规律基本一致,但当缺口角度大于90°之后,试件的起裂时间显著延长.由此得出结论:当缺口角度对含裂纹缺口构件的动态断裂有一定影响,当缺口角度小于90°时影响不显著,当缺口角度大于90°时起裂难度显著增加.     

裂隙岩体动力特性的试验模拟研究

针对地震、爆破等动力荷载作用下裂隙岩体的动力学特性问题,采用水泥浆制作试样,模拟具有不同数量平行贯通裂隙的岩体,利用Hopkinson压杆对试样施加应变率为100,140,170的动力荷载,得出试样在高应变率下的动态应力-应变曲线.对应力-应变曲线的分析表明:裂隙岩体具有应变率敏感性;破坏岩体的最终变形随着裂隙率降低而减小.     

类岩石材料动态本构模型研究进展

 类岩石材料的动态本构关系是研究冲击地压和岩爆等地质灾害现象、评估围岩或工程材料抗冲击破坏能力的重要手段,特别是高应变率下的类岩石材料动态本构关系对解决工程问题和设计施工方案具有重要参考意义。总结了类岩石材料动态本构方程的研究方法,阐述了损伤模型、动态黏弹性模型、动态黏塑性模型、动态黏弹塑性模型、经验模型等动态本构关系的优点和局限性;归纳了不同理论模型和经验模型的最新进展,并对动态本构关系的未来发展趋势进行了展望,提出使类岩石材料在动静组合加载下的理论计算值与试验数据较好地吻合是未来的一个发展趋势。     

裂隙矿岩的动载特性

用ＳＨＰＢ高速冲击试验机，对４种不同裂隙类型的矿岩进行高速冲击试验，测定矿岩在高速冲击作用下的应力波形，应变历史，应变率历史，应力历史，应力－应变曲线，应力－应变－应变率的关系，应力－应变－裂隙类型的关系。算出动态破坏强度和动态弹模，定量进行动静态矿力学物性比较，得出裂隙矿岩与完整矿岩在不同力学状态下的数值关系。     

应变率效应对再生混凝土动态力学性能的影响

通过约束再生混凝土单轴受压动态力学试验,研究了应变率效应对约束再生混凝土力学参数的影响.分析不同应变率下再生混凝土动态破坏特征以及受压应力-应变关系全曲线,可以发现:在不同应变率、再生粗骨料取代率或体积配箍率下,再生混凝土单轴应力-应变关系曲线的上升段基本一致,而下降段差异较为明显;随着应变率的提高或再生粗骨料取代率的增加,下降段曲线随之变陡,而随着箍筋配箍率的提高,下降段曲线明显随之趋于平缓.通过试验数据回归分析,提出约束再生混凝土受压峰值应力和峰值应变动态放大系数函数模型;随着应变率的提高,约束再生混凝土受压峰值应力和峰值应变均随之增大;而约束再生混凝土受压峰值应变动态放大系数增加幅值低于受压峰值应力动态放大系数的增加幅值;进一步分析了应变率效应对约束再生混凝土初始弹性模量的影响规律,确定了初始弹性模量和应变率的函数关系,并给出了初始弹性模量动态放大系数函数模型.随着应变率的提高,约束再生混凝土初始弹性模量动态放大系数随之增大,但其增长幅度要比受压峰值应力和峰值应变动态放大系数的增长幅度小.     

含硅橡胶的泡沫铝应变率敏感性研究

用渗流法向开孔泡沫铝中充填硅橡的方法获得含硅橡胶的泡沫铝材料,并在Hopkinson压杆实验装置上对含硅橡胶的泡沫铝进行动态压缩实验,研究这种材料的动态压缩力学行为及应变率敏感性。结果表明,含硅橡胶的泡沫铝压缩应力-应变曲线具有两阶段变形特征,即弹性段和塑性平台段,与不含硅橡胶的泡沫铝相比,这种材料具有更高的应变率敏感性,随着应变率的提高,其屈服强度和流动应力均显著升高。     

水泥砂浆应变率效应研究

为分析试件长径比和应变率对水泥砂浆动态力学性能的影响规律,采用准静态实验测量了砂浆的单轴压缩强度、弹性模量以及泊松比.利用分离式SHPB压杆进行1维应力压缩实验,对水泥砂浆试件进行了回收和比较,获得了不同长径比水泥砂浆试样在不同加载速率下的动态损伤破坏过程和应力应变曲线,研究了动态强度增强因子随应变率的变化规律.结果表明:动态压缩强度随应变率的增加而显著增大;试件直径相同时,厚度小的获得的动态强度增强因子要小于厚度大的;随着应变率提高,试件损伤增加,碎块尺寸越小,表明破坏能量随应变率的增加而提高.      

碾压混凝土真实应变率效应试验

为深入研究碾压混凝土动态力学特性,借助分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对3种不同直径圆柱试样进行了冲击压缩试验.试验结果表明:碾压混凝土材料具有显著的应变率效应和尺寸效应;混凝土类材料的动态抗压强度增强是材料自身特性、惯性效应和端面摩擦效应三者作用的结果,确定碾压混凝土的真实应变率效应对碾压混凝土结构冲击荷载下动态响...     

钢材在不同应变率下力学性能的试验研究

通过INSTRON拉伸试验机和HTM5020型高速拉伸试验机开展Q235钢材的准静态和高速拉伸试验,研究钢材的动态力学性能.结果表明:Q235钢材为应变率敏感型材料,随着应变率的提高,钢材的屈服强度和极限强度明显提高,钢材的应变硬化特征发生显著变化,其名义屈服强度和名义抗拉强度的动力放大系数与应变率之间满足CowperSymonds模型.基于钢材颈缩前的真实应力应变关系,提出了修正的Johnson-Cook模型,该模型可更合理地描述Q235钢应变率效应与应变硬化效应耦合现象.     

AISI 321奥氏体不锈钢的应变硬化行为、应变速率敏感性及热变形图

Hot compression tests were performed on AISI 321 austenitic stainless steel in the deformation temperature range of 800–1200°C and constant strain rates of 0.001, 0.01, 0.1, and 1 s?1. Hot flow curves were used to determine the strain hardening exponent and the strain rate sensitivity exponent, and to construct the processing maps. Variations of the strain hardening exponent with strain were used to predict the microstructural evolutions during the hot deformation. Four variations were distinguished reflecting the different microstructural changes. Based on the analysis of the strain hardening exponent versus strain curves, the microstructural evolutions were dynamic recovery, single and multiple peak dynamic recrystallization, and interactions between dynamic recrystallization and precipitation. The strain rate sensitivity variations at an applied strain of 0.8 and strain rate of 0.1 s?1 were compared with the microstructural evolutions. The results demonstrate the existence of a reliable correlation between the strain rate sensitivity values and evolved microstructures. Additionally, the power dissipation map at the applied strain of 0.8 was compared with the resultant microstructures at predetermined deformation conditions. The microstructural evolutions strongly correlated to the power dissipation ratio, and dynamic recrystallization occurred completely at lower power dissipation ratios.