冲击荷载下岩石非线性变形与损伤研究

发布时间：2017-10-04 09:19

  本文关键词：冲击荷载下岩石非线性变形与损伤研究

  更多相关文章： 岩石 霍普金森压杆 冲击荷载 损伤 动态破坏 LS-DYNA

【摘要】：在现代岩土工程中,诸如矿山的爆破开采、冲击碎岩、军事防护工程、地震、岩爆等问题,本质都是冲击荷载产生的应力脉冲在岩石中的传播而引起岩石的非线性变形损伤与破坏。因此对岩石在冲击荷载下以及循环冲击荷载下的非线性变形损伤的研究可为冲击破岩机具的设计、施工开挖工艺参数的选取、防破工程的安全设计等方面提供数据支持与理论依据,同时也为其他岩石相关学科的研究提供参考。本文利用LS-DYNA非线性显示动力分析软件,对冲击实验装置进行优化,本构模型的选取进行讨论,建立了岩石SHPB数值试验模型。模拟了岩石在不同应变率下岩石的动态破坏过程,分析了不同应变率下岩石的动态破坏模式,并进行了能量相关性分析。最后,对岩石受循环冲击荷载情况下的数值试验模型进行讨论,比较两种建模方式的优劣,并描述了岩石损伤对应力波传播的影响和岩石在循环冲击荷载下动态破坏的特点。研究表明,在岩石SHPB实验技术数值模拟分析中,岩石的材料模型可以选取HJC模型,冲击荷载的应力波波形采用半正弦波时可以消除应力波在压杆中传播时弥散效应现象,并且采用半正弦波加载时,试件达到应力均匀化的时间较短;在不同应变率下,岩石的破坏过程与破坏模式有所不同,表现在裂缝的生成位置,裂缝的发展方向,不同位置裂缝的发展速度和岩石试件破坏终止后形成的岩石碎块形状、数量、体积等方面;岩石的吸收能随与入射应力峰值与持续时间相关,当入射能足够导致岩石破坏时,采用幅值高,延续时间短的应力波加载时岩石破坏的能量利用效率较高;岩石受到冲击荷载产生损伤后,由于细观裂纹成核并产生裂缝,引起材料性能劣化,导致应力波峰值衰减;岩石在循环冲击荷载下发生破坏时,裂缝从轴心位置产生,与单次冲击下的破坏模式有所区别。
【关键词】：岩石 霍普金森压杆 冲击荷载 损伤 动态破坏 LS-DYNA
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU45
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-16
• 1.2.1 霍普金森压杆实验技术研究现状12-13
• 1.2.2 冲击荷载下岩石动力学特性与损伤破碎研究现状13-15
• 1.2.3 数值模拟现状15-16
• 1.3 本文主要研究内容16-17
• 第2章 SHPB实验装置与技术原理17-22
• 2.1 前言17-18
• 2.2 SHPB实验装置简介18-19
• 2.3 SHPB试验原理与结果分析19-21
• 2.4 本章小结21-22
• 第3章 数值试验模型的建立22-37
• 3.1 前言22
• 3.2 软件简介与有限元模型的建立22-29
• 3.2.1 LS-DYNA3D显示中心差分算法简介23-24
• 3.2.2 单元类型的选取与沙漏控制24-25
• 3.2.3 建立几何模型25-26
• 3.2.4 网格划分控制26-27
• 3.2.5 接触控制27-28
• 3.2.6 加载和文件输出控制28-29
• 3.3 岩石本构模型及其参数选取29-36
• 3.3.1 前言29
• 3.3.2 HJC模型简介29-32
• 3.3.3 HJC模型参数选取32-36
• 3.4 本章小结36-37
• 第4章 岩石SHPB实验数值模拟及研究37-61
• 4.1 前言37
• 4.2 应力波在压杆中传播弥散效应分析37-39
• 4.2.1 采用撞击杆撞击情况下的弥散分析38
• 4.2.2 采用应力波输入方式下的弥散分析38-39
• 4.3 早期均匀性的验证39-42
• 4.3.1 应力波在试件内的透反射过程40-41
• 4.3.2 模拟结果分析41-42
• 4.4 不同应变率下岩石动态力学特性模拟42-46
• 4.4.1 应力波峰值对试样平均应变率的影响43-44
• 4.4.2 不同应变率下岩石的动态力学特性44-46
• 4.5 岩石变形破坏研究46-55
• 4.5.1 破坏过程描述46-54
• 4.5.2 断裂破坏形态分析54-55
• 4.6 岩石破坏的能量相关性分析55-59
• 4.6.1 能量计算方法56
• 4.6.2 不同应变率下能量分析56-57
• 4.6.3 等幅值不同延续时间下的能量分析57-59
• 4.7 本章小结59-61
• 第5章 循环冲击荷载下岩石损伤模拟分析61-69
• 5.1 前言61
• 5.2 数值模拟实现方法61-65
• 5.2.1 连续应力波输入61-64
• 5.2.2 重启动分析64
• 5.2.3 建模过程64-65
• 5.3 模拟结果分析65-68
• 5.4 本章小结68-69
• 结论69-71
• 参考文献71-75
• 致谢75

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本文编号：969841