巖石是內(nèi)部存在大量微裂紋、微孔洞等微觀特征結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)材料,因其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度,在受載荷時(shí)經(jīng)常會發(fā)生拉伸破壞。此外,在地?zé)豳Y源開發(fā)、高放射性核廢料地下存儲與隧道火災(zāi)后重建等工程中,巖石都受到溫度和荷載的共同作用。為了研究經(jīng)熱處理的中細(xì)�；◢弾r動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)特性、動(dòng)態(tài)劈裂破壞模式、能量耗散特征以及溫度和加載率對花崗巖能耗規(guī)律的影響,本文開展的研究工作及得出相關(guān)結(jié)論如下:首先,利用Φ50mm直錐變截面Hopkinson壓桿(SHPB)對經(jīng)歷6個(gè)不同溫度作用后(即25、100、300、500、700和900℃)的花崗巖試樣進(jìn)行3種加載速率(5.4m/s、7.7m/s和13.7m/s)的動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn)。力學(xué)特性分析結(jié)果表明:當(dāng)溫度在500℃以內(nèi)和較低應(yīng)變率下,花崗巖動(dòng)態(tài)劈裂試件的破壞形式為沿徑向軸對稱開裂,隨加載率的增加,試樣兩端出現(xiàn)明顯的三角形壓碎區(qū)域;溫度達(dá)到500℃以后,試樣破壞程度加劇,在高應(yīng)變率下呈現(xiàn)出粉碎性破壞;隨溫度的增加,巖樣的縱波波速降低,損傷相應(yīng)增大,而且熱損傷演化規(guī)律符合logistic曲線模型;在所研究溫度范圍內(nèi),不同加載率下劈裂強(qiáng)度隨溫度升高逐漸降低,100℃溫度后,抗拉強(qiáng)度與損傷變化關(guān)系與allometry函數(shù)曲線吻合;且每個(gè)溫度下劈裂強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增加均近似呈線性增長。其次,基于巖石失穩(wěn)破裂的能量原理,分析了巖石在破碎過程中的能耗規(guī)律,結(jié)果表明:花崗巖試樣在動(dòng)態(tài)劈裂中的耗散能隨熱處理溫度的上升而減小,但隨彈速的增加而提高;巖石試樣破碎塊度隨著平均入射能變化率和溫度的升高而越小,而破裂塊的數(shù)目則呈增多趨勢;入射能平均變化率的增加使溫度對試樣破碎形態(tài)的影響作用更加顯著;沖擊荷載作用下,能量利用率均不超過30%,且表現(xiàn)出與加載率效應(yīng)相反的特性;花崗巖的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度與透射波的能量近似呈線性增長關(guān)系。研究指出從能量耗散的角度能更加清晰和準(zhǔn)確地表征巖石抵抗拉伸破壞的能力。最后,使用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA和ABAQUS,對花崗巖的動(dòng)態(tài)劈裂破壞過程和端部效應(yīng)影響進(jìn)行數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明:試樣采用非等分網(wǎng)格劃分形式,可以避免桿件與試樣接觸部位應(yīng)力過于集中;考慮應(yīng)變率效應(yīng)的Cowper-Symonds粘塑性本構(gòu)能夠較好地描述常溫下花崗巖的動(dòng)力學(xué)行為。在動(dòng)態(tài)劈裂中,試樣端部效應(yīng)的存在使其抗拉強(qiáng)度比理論值偏大。
【學(xué)位單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TU45
【部分圖文】：

應(yīng)力波理論及 SHPB 的誕生體力學(xué)的靜力學(xué)理論不考慮介質(zhì)微元體之間的慣性效應(yīng)，而在動(dòng)態(tài)荷載元體處于隨著時(shí)間迅速變化的動(dòng)態(tài)荷載過程中。當(dāng)外荷載作用于可變形面時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)也離開其原來所處的平衡位置開始運(yùn)動(dòng)起來。由于介質(zhì)性效應(yīng)，相鄰質(zhì)點(diǎn)的也跟著運(yùn)動(dòng)起來，并且其運(yùn)動(dòng)將永遠(yuǎn)滯后于表面質(zhì)，因此，外荷載在可變形固體表面所引起的擾動(dòng)就這樣在介質(zhì)中由近及出去，從而形成應(yīng)力波[41]。力波理論最早是從彈性波理論發(fā)展起來的，其具有應(yīng)變率無關(guān)性。為了加載時(shí)材料的非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和塑性變形不可逆造成的加載卸載不應(yīng)變關(guān)系，塑性波理論在第二次世界大戰(zhàn)期間得到發(fā)展。研究巖石材料在高應(yīng)變率下的動(dòng)力學(xué)行為時(shí)，就必須考慮兩類動(dòng)力學(xué)效性效應(yīng)（應(yīng)力波效應(yīng)）和材料應(yīng)變率效應(yīng)。而這兩類效應(yīng)往往彼此聯(lián)系合，從而使問題變得十分復(fù)雜。1949 年，分離式 Hopkinson 壓桿的提出將實(shí)驗(yàn)過程中的應(yīng)力波效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)解耦，成功的解決了這個(gè)問題

(a) n>1 (b) n<1圖 2. 2 不同材料彈性桿中的透射和反射Fig 2.2 Transmitted and reflected wave in elastic bars of different materials此外，SHPB 實(shí)驗(yàn)之所以能夠成功是建立在兩個(gè)基本假定的基礎(chǔ)上，桿中的一維應(yīng)力波假定和試樣中的應(yīng)力均勻性假定。對于第一個(gè)假定，若實(shí)驗(yàn)鋼桿中滿足一維應(yīng)力波條件，只要能夠通過測量得到試樣與入射桿界面 X1處的應(yīng)力 σ(X1,t)和質(zhì)點(diǎn)速度 v(X1,t)，以及試樣與入射桿界面 X2處的應(yīng)力 σ(X2,t)和質(zhì)點(diǎn)速度 v(X2,t)，如圖 2.3。則可以根據(jù)一維應(yīng)力波的理論求解得到試樣中的平均應(yīng)力 σS(t)，應(yīng)變率 S ( )和應(yīng)變 S( )。

(a) n>1 (b) n<1圖 2. 2 不同材料彈性桿中的透射和反射Fig 2.2 Transmitted and reflected wave in elastic bars of different materials此外，SHPB 實(shí)驗(yàn)之所以能夠成功是建立在兩個(gè)基本假定的基礎(chǔ)上，桿中力波假定和試樣中的應(yīng)力均勻性假定。對于第一個(gè)假定，若實(shí)驗(yàn)鋼桿中滿足一維應(yīng)力波條件，只要能夠通過測樣與入射桿界面 X1處的應(yīng)力 σ(X1,t)和質(zhì)點(diǎn)速度 v(X1,t)，以及試樣與入射2處的應(yīng)力 σ(X2,t)和質(zhì)點(diǎn)速度 v(X2,t)，如圖 2.3。則可以根據(jù)一維應(yīng)力波的得到試樣中的平均應(yīng)力 σS(t)，應(yīng)變率 S ( )和應(yīng)變 S( )。
【參考文獻(xiàn)】

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2 胡俊;丁克偉;韋璐;;EPS混凝土靜態(tài)壓縮和劈裂性能[J];建筑材料學(xué)報(bào);2015年05期

3 王震;胡可;趙陽;;考慮Cowper-Symonds黏塑性材料本構(gòu)的向量式有限元三角形薄殼單元研究[J];建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào);2014年04期

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6 王志亮;諸斌;;EPS泡沫沖擊壓縮和吸能特性試驗(yàn)研究[J];建筑材料學(xué)報(bào);2013年04期

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8 許金余;劉石;;SHPB試驗(yàn)中高溫下巖石變形破壞過程的能耗規(guī)律分析[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào);2013年S2期

9 胡俊;巫緒濤;;聚苯乙烯混凝土動(dòng)態(tài)劈裂實(shí)驗(yàn)[J];爆炸與沖擊;2011年04期

10 徐松林;鄭文;劉永貴;鄭航;;沖擊下花崗巖界面動(dòng)態(tài)摩擦特性實(shí)驗(yàn)研究[J];高壓物理學(xué)報(bào);2011年03期

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2 張磊;混凝土層裂強(qiáng)度的研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2006年

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本文編號：2879194