热处理花岗岩动态劈裂行为实验与数值研究

发布时间：2020-11-11 12:43

　　 岩石是内部存在大量微裂纹、微孔洞等微观特征结构的非均质材料,因其抗拉强度远小于抗压强度,在受载荷时经常会发生拉伸破坏。此外,在地热资源开发、高放射性核废料地下存储与隧道火灾后重建等工程中,岩石都受到温度和荷载的共同作用。为了研究经热处理的中细粒花岗岩动态拉伸力学特性、动态劈裂破坏模式、能量耗散特征以及温度和加载率对花岗岩能耗规律的影响,本文开展的研究工作及得出相关结论如下:首先,利用Φ50mm直锥变截面Hopkinson压杆(SHPB)对经历6个不同温度作用后(即25、100、300、500、700和900℃)的花岗岩试样进行3种加载速率(5.4m/s、7.7m/s和13.7m/s)的动态劈裂试验。力学特性分析结果表明:当温度在500℃以内和较低应变率下,花岗岩动态劈裂试件的破坏形式为沿径向轴对称开裂,随加载率的增加,试样两端出现明显的三角形压碎区域;温度达到500℃以后,试样破坏程度加剧,在高应变率下呈现出粉碎性破坏;随温度的增加,岩样的纵波波速降低,损伤相应增大,而且热损伤演化规律符合logistic曲线模型;在所研究温度范围内,不同加载率下劈裂强度随温度升高逐渐降低,100℃温度后,抗拉强度与损伤变化关系与allometry函数曲线吻合;且每个温度下劈裂强度随应变率的增加均近似呈线性增长。其次,基于岩石失稳破裂的能量原理,分析了岩石在破碎过程中的能耗规律,结果表明:花岗岩试样在动态劈裂中的耗散能随热处理温度的上升而减小,但随弹速的增加而提高;岩石试样破碎块度随着平均入射能变化率和温度的升高而越小,而破裂块的数目则呈增多趋势;入射能平均变化率的增加使温度对试样破碎形态的影响作用更加显著;冲击荷载作用下,能量利用率均不超过30%,且表现出与加载率效应相反的特性;花岗岩的动态劈裂强度与透射波的能量近似呈线性增长关系。研究指出从能量耗散的角度能更加清晰和准确地表征岩石抵抗拉伸破坏的能力。最后,使用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA和ABAQUS,对花岗岩的动态劈裂破坏过程和端部效应影响进行数值模拟。研究结果表明:试样采用非等分网格划分形式,可以避免杆件与试样接触部位应力过于集中;考虑应变率效应的Cowper-Symonds粘塑性本构能够较好地描述常温下花岗岩的动力学行为。在动态劈裂中,试样端部效应的存在使其抗拉强度比理论值偏大。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU45
【部分图文】：

应力波理论及 SHPB 的诞生体力学的静力学理论不考虑介质微元体之间的惯性效应，而在动态荷载元体处于随着时间迅速变化的动态荷载过程中。当外荷载作用于可变形面时，介质质点也离开其原来所处的平衡位置开始运动起来。由于介质性效应，相邻质点的也跟着运动起来，并且其运动将永远滞后于表面质，因此，外荷载在可变形固体表面所引起的扰动就这样在介质中由近及出去，从而形成应力波[41]。力波理论最早是从弹性波理论发展起来的，其具有应变率无关性。为了加载时材料的非线性应力应变关系和塑性变形不可逆造成的加载卸载不应变关系，塑性波理论在第二次世界大战期间得到发展。研究岩石材料在高应变率下的动力学行为时，就必须考虑两类动力学效性效应（应力波效应）和材料应变率效应。而这两类效应往往彼此联系合，从而使问题变得十分复杂。1949 年，分离式 Hopkinson 压杆的提出将实验过程中的应力波效应和应变率效应解耦，成功的解决了这个问题

(a) n>1 (b) n<1图 2. 2 不同材料弹性杆中的透射和反射Fig 2.2 Transmitted and reflected wave in elastic bars of different materials此外，SHPB 实验之所以能够成功是建立在两个基本假定的基础上，杆中的一维应力波假定和试样中的应力均匀性假定。对于第一个假定，若实验钢杆中满足一维应力波条件，只要能够通过测量得到试样与入射杆界面 X1处的应力 σ(X1,t)和质点速度 v(X1,t)，以及试样与入射杆界面 X2处的应力 σ(X2,t)和质点速度 v(X2,t)，如图 2.3。则可以根据一维应力波的理论求解得到试样中的平均应力 σS(t)，应变率 S ( )和应变 S( )。

(a) n>1 (b) n<1图 2. 2 不同材料弹性杆中的透射和反射Fig 2.2 Transmitted and reflected wave in elastic bars of different materials此外，SHPB 实验之所以能够成功是建立在两个基本假定的基础上，杆中力波假定和试样中的应力均匀性假定。对于第一个假定，若实验钢杆中满足一维应力波条件，只要能够通过测样与入射杆界面 X1处的应力 σ(X1,t)和质点速度 v(X1,t)，以及试样与入射2处的应力 σ(X2,t)和质点速度 v(X2,t)，如图 2.3。则可以根据一维应力波的得到试样中的平均应力 σS(t)，应变率 S ( )和应变 S( )。
【参考文献】

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3 王震;胡可;赵阳;;考虑Cowper-Symonds黏塑性材料本构的向量式有限元三角形薄壳单元研究[J];建筑结构学报;2014年04期

4 巫绪涛;耿宁宁;李和平;;动态SCB实验技术的数值模拟研究[J];应用力学学报;2013年06期

5 刘石;许金余;白二雷;支乐鹏;陈腾飞;;高温后大理岩动态劈裂拉伸试验研究[J];岩土力学;2013年12期

6 王志亮;诸斌;;EPS泡沫冲击压缩和吸能特性试验研究[J];建筑材料学报;2013年04期

7 巫绪涛;胡俊;谢思发;;EPS混凝土的动态劈裂强度和能量耗散[J];爆炸与冲击;2013年04期

8 许金余;刘石;;SHPB试验中高温下岩石变形破坏过程的能耗规律分析[J];岩石力学与工程学报;2013年S2期

9 胡俊;巫绪涛;;聚苯乙烯混凝土动态劈裂实验[J];爆炸与冲击;2011年04期

10 徐松林;郑文;刘永贵;郑航;;冲击下花岗岩界面动态摩擦特性实验研究[J];高压物理学报;2011年03期

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本文编号：2879194