發(fā)布時間：2020-11-11 12:43

　　 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,因其抗拉強度遠小于抗壓強度,在受載荷時經(jīng)常會發(fā)生拉伸破壞。此外,在地熱資源開發(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)熱處理的中細粒花崗巖動態(tài)拉伸力學(xué)特性、動態(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個不同溫度作用后(即25、100、300、500、700和900℃)的花崗巖試樣進行3種加載速率(5.4m/s、7.7m/s和13.7m/s)的動態(tài)劈裂試驗。力學(xué)特性分析結(jié)果表明:當溫度在500℃以內(nèi)和較低應(yīng)變率下,花崗巖動態(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度隨溫度升高逐漸降低,100℃溫度后,抗拉強度與損傷變化關(guān)系與allometry函數(shù)曲線吻合;且每個溫度下劈裂強度隨應(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;花崗巖的動態(tài)劈裂強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,對花崗巖的動態(tài)劈裂破壞過程和端部效應(yīng)影響進行數(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力學(xué)行為。在動態(tài)劈裂中,試樣端部效應(yīng)的存在使其抗拉強度比理論值偏大。
【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)，而在動態(tài)荷載元體處于隨著時間迅速變化的動態(tài)荷載過程中。當外荷載作用于可變形面時，介質(zhì)質(zhì)點也離開其原來所處的平衡位置開始運動起來。由于介質(zhì)性效應(yīng)，相鄰質(zhì)點的也跟著運動起來，并且其運動將永遠滯后于表面質(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)變率下的動力學(xué)行為時，就必須考慮兩類動力學(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 壓桿的提出將實驗過程中的應(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 實驗之所以能夠成功是建立在兩個基本假定的基礎(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。對于第一個假定，若實驗鋼桿中滿足一維應(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 實驗之所以能夠成功是建立在兩個基本假定的基礎(chǔ)上，桿中力波假定和試樣中的應(yīng)力均勻性假定。對于第一個假定，若實驗鋼桿中滿足一維應(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】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 平琦;駱軒;馬芹永;袁璞;;沖擊載荷作用下砂巖試件破碎能耗特征[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報;2015年S2期

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;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;2014年04期

4 巫緒濤;耿寧寧;李和平;;動態(tài)SCB實驗技術(shù)的數(shù)值模擬研究[J];應(yīng)用力學(xué)學(xué)報;2013年06期

5 劉石;許金余;白二雷;支樂鵬;陳騰飛;;高溫后大理巖動態(tài)劈裂拉伸試驗研究[J];巖土力學(xué);2013年12期

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

7 巫緒濤;胡俊;謝思發(fā);;EPS混凝土的動態(tài)劈裂強度和能量耗散[J];爆炸與沖擊;2013年04期

8 許金余;劉石;;SHPB試驗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;2013年S2期

9 胡俊;巫緒濤;;聚苯乙烯混凝土動態(tài)劈裂實驗[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態(tài)摩擦特性實驗研究[J];高壓物理學(xué)報;2011年03期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 洪亮;沖擊荷載下巖石強度及破碎能耗特征的尺寸效應(yīng)研究[D];中南大學(xué);2008年

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

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 宋小林;大理巖動態(tài)劈裂拉伸強度和裂紋起裂擴展特性[D];四川大學(xué);2005年

本文編號：2879194