本文關(guān)鍵詞：恒應變率沖擊作用下花崗巖的損傷演化與本構(gòu)模型研究　出處：《中國礦業(yè)大學(北京)》2016年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：巖石是地球的重要組成部分,它是人類進行工程建設活動最重要的材料。因此在工程建設中了解和掌握巖石材料的物理力學特性能夠幫助人們更加有效開展工作。而在巖石眾多物理力學特性中,其動態(tài)力學特性最為關(guān)鍵。近些年來,國內(nèi)外的許多專家學者從不同的角度對巖石的動態(tài)力學特性進行了深入的研究,并取得了大量的研究成果,從而促進了巖石動力學的快速發(fā)展。在此期間,隨著巖石領(lǐng)域斷裂力學、損傷力學的引入,使得巖石微細觀裂紋演化、破裂等方面的研究取得了顯著成績。然而由于巖石內(nèi)部含有大量裂紋、孔隙以及各種微結(jié)構(gòu),加之天然巖體還含有各種節(jié)理、層面和地質(zhì)結(jié)構(gòu),這些因素混雜在一起,造成巖石類材料在細觀結(jié)構(gòu)上的復雜性以及宏觀尺度上的不均勻性和不連續(xù)性,增加了對巖石介質(zhì)力學性能研究的難度,因此人們對巖石介質(zhì)力學性能的研究,無論從深度和廣度上都沒有金屬類材料完善。分離式霍普金森桿(SHPB)試驗裝置是目前研究材料動態(tài)力學性能的重要技術(shù)手段。但是,由于巖石類材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜性以及分布的不均勻性,對其進行材料力學實驗時往往需要較大尺寸的試樣才能真實的反映該類材料受力變形情況。同樣,利用SHPB研究巖石的動態(tài)力學特性時也需要大尺寸的試件,這就使得傳統(tǒng)霍普金森壓桿中應力不均勻、波形彌散等現(xiàn)象更加嚴重。而恒應變率加載,能夠有效地解決大直徑SHPB試驗裝置在進行巖石類材料沖擊試驗中存在的應力不均勻和彌散效應等問題,同時在沖擊試驗中實現(xiàn)恒應變率,可在研究材料的動態(tài)本構(gòu)關(guān)系時將應變率作為常數(shù)參量,這對構(gòu)建材料的動態(tài)本構(gòu)模型具有非常重要的意義。因此,本文從波形整形技術(shù)研究入手,設計加工了柱錐形子彈,從而實現(xiàn)了對花崗巖試件霍普金森恒應變率沖擊加載,并在恒應變率沖擊作用下,對花崗巖的動態(tài)力學特性進行研究,得到了花崗巖損傷的閾值,建立了花崗巖損傷與應力波參數(shù)間的定量關(guān)系準則和損傷演化方程,最終建立花崗巖的損傷本構(gòu)方程。將所建立的花崗巖本構(gòu)模型應用到實際試驗或工程上來考察模型在應用過程中所存在的問題,進一步完善所建立的本構(gòu)模型。為此本文從以下幾個方面對以上問題進行了討論。本文對傳統(tǒng)SHPB試驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理原則和大直徑SHPB試驗裝置在巖石材料中應用的條件等問題進行了全面分析,由此確定了本試驗花崗巖的試件長徑比;分析得出了實現(xiàn)恒應變率加載能夠有效地解決大直徑SHPB試驗裝置在進行巖石類材料沖擊試驗中存在的應力不均勻和彌散效應等問題。通過對SHPB試驗入射波整形技術(shù)的分析研究,確定了從雙試件法演變而來的柱錐形子彈是實現(xiàn)恒應變率加載的有效手段,并利用應力波理論及數(shù)值計算方法研究建立了設計柱錐形子彈應遵循的兩個原則:○1錐體小端面與大端面直徑之比應大于2/3;○2加載波上升沿時間應滿足應力波在試件中來回傳播3-6次,根據(jù)計算,對于本文所采用的花崗巖上升沿時間應大于23.67~47.34μs;運用數(shù)值計算手段對總長度400mm柱錐子彈的不同形狀參數(shù)進行了模擬分析,得出了實現(xiàn)花崗巖恒應變率加載的最優(yōu)柱錐子彈大小端面直徑比為0.7(大小端面直徑分別為50mm、35mm),子彈最優(yōu)錐長為300mm;根據(jù)波阻抗匹配原理,設計加工了鋁鎂合金壓桿系統(tǒng)。通過與傳統(tǒng)圓柱子彈加載波形對比,從數(shù)值模擬和試驗兩個方面驗證了所設計的鋁鎂合金柱錐形子彈實現(xiàn)了對花崗巖恒應變率的沖擊加載。利用所設計的柱錐形鋁鎂合金子彈對180多個花崗巖試件進行了沖擊試驗。按速度梯度0.5m/s將試驗中沖擊速度范圍(2.6m/s~16.3m/s),劃分為26個速度區(qū)間,通過統(tǒng)計分析得出在每個速度區(qū)間都分布有兩塊以上的花崗巖試件,從而為本次試驗數(shù)據(jù)的準確性提供保障;統(tǒng)計分析試驗數(shù)據(jù)中不同反射波形形狀出現(xiàn)的概率,得出了所關(guān)心的反射波形(近平臺狀)占比77%,表明了試驗水平優(yōu)良,同時驗證了所設計的子彈成功的實現(xiàn)了恒應變率加載,并得出沖擊試驗具有優(yōu)良的可重復性;通過對試驗中花崗巖試件動態(tài)性能分析,發(fā)現(xiàn)應變率與子彈沖擊速度呈線性關(guān)系,峰值應變與應變率或子彈速度呈指數(shù)關(guān)系,花崗巖試件動態(tài)強度隨子彈速度的增大而提高,表明花崗巖試件為應變率敏感材料;通過與花崗巖靜態(tài)抗壓強度對比,得出本次沖擊試驗中花崗巖強度增強度系數(shù)DIFc取值范圍為1.01~1.53;應變率水平達到80 s-1后花崗巖試件開始出現(xiàn)裂紋,應變率在80~110 s-1內(nèi),試件破壞形式為破碎,當應變率超過110 s-1后試件呈粉碎狀。與之對應的產(chǎn)生肉眼觀察到損傷的峰值應變?yōu)?000微應變,在9000~12000微應變范圍內(nèi)試件出現(xiàn)貫通裂紋,當微應變超過12000時試件呈破碎狀態(tài);運用超聲波測試技術(shù)測量沖擊前后花崗巖縱波波速,采用聲速變化來表征花崗巖損傷值,通過對花崗巖損傷與峰值應力關(guān)系擬合,建立了損傷與應力之間的定量關(guān)系表達式,并得出了造成損傷發(fā)生的應力閾值為50.15MPa,此時對應的應變率為31.7 s-1,峰值應變?yōu)?670微應變。通過對朱-王-唐粘彈性非線性本構(gòu)模型的全面分析,并結(jié)合花崗巖靜態(tài)單軸壓縮應力-應變曲線在彈性階段呈線性,加之花崗巖破壞應變量級較小的特點,將朱-王-唐本構(gòu)的非線性部分用線性來替代;由于本文對花崗巖的沖擊試驗實現(xiàn)了恒應變率加載,進而將朱-王-唐本構(gòu)模型中Maxwell體本構(gòu)中積分項進行了簡化;根據(jù)霍普金森壓桿應變率范圍(102~104 s-1),將朱-王-唐模型中低頻Maxwell體用彈性體替代;在以上對模型三個簡化的基礎上將損傷變量引入簡化的本構(gòu)模型中,并結(jié)合所測得的花崗巖損傷閾值建立起了分段型花崗巖損傷本構(gòu)模型,利用實驗數(shù)據(jù),對本構(gòu)模型中的參數(shù)進行確定,通過分析得出所建立的本構(gòu)模型與不同應變率下實測花崗巖本構(gòu)曲線能夠很好的吻合,表明所建立的花崗巖本構(gòu)模型能夠準確的描述其峰前動態(tài)力學性能。利用粘彈性理論將一維花崗巖分段型本構(gòu)模型擴展至三維應力狀態(tài),并推導出三維本構(gòu)模型的增量表達式,并進一步采用FORTRAN語言將建立的本構(gòu)模型進行編譯,運用ABAQUS有限元軟件的二次開發(fā)用戶子程序VUMAT建立了花崗巖動態(tài)模型的材料子程序,并將本構(gòu)子程序應用于花崗巖SHPB沖擊壓縮及沖擊劈裂試驗模擬,結(jié)果表明了所建立的本構(gòu)模型能夠很好的描述花崗巖沖擊壓縮峰前動態(tài)力學性能。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TU45

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本文編號：1351180