动静组合载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究

摘要

岩石破碎是一个复杂的非平衡、非线性的演化过程。近几十年来岩石力学界的学者们在研究岩石静态加载和动态加载方面取得了丰硕的成果，对岩石破碎学起了巨大的推动作用。然而，过去的理论和试验研究主要集中在单一静载或冲击载荷下的岩石破碎特征及其相应的最优加载形式上，针对动静组合载荷破岩的研究则很少，本文正是基于上述问题对动静组合载荷破岩进行了数值模拟和试验研究。
　　在总结分析单一静态和动态破岩特征的基础上，同时应用损伤断裂力学对岩石在单一静载、动载和动静组合载荷作用下破碎的力学分析，得到在预加静载荷使岩石发生体积破碎之后再施加冲击载荷，此时岩石破碎效果最好的结论。在一定范围内加大静压力和冲击力可以使破碎坑体积很快增加，从而提高破岩效率。
　　为了研究岩石细观结构特性变化对宏观力学行为的影响，对岩石破碎在单一静载、动载和动静组合载荷作用下进行了数值模拟，通过对岩石内部应力、位移及裂纹分布图可以发现静载破岩时刀具对岩石的影响范围比冲击载荷要广很多，冲击载荷破岩时岩石内部中间裂纹扩展的最快，动静组合载荷破岩时深度和面积比单一的静载或动载都要大，破岩的综合效果比单一的静载或动载都要好。
　　在多功能试验装置上对岩石进行了单一静载、冲击载荷和动静组合载荷破岩试验，通过试验数据分析发现:单纯提高静载或冲击载荷对破岩效果泵会有很大的提高，动静组合载荷可明显提高破岩效果，在破碎深度与破碎体积等方面比单一冲击或压入具有明显的优势，不同的动静组合载荷存在不同的破岩比能，合理选取动静载荷的比值，可使破岩比能最小，破碎效果达到最优。试验研究的结果与理论分析及数值模拟的结论基本一致，从而验证了理论分析的正确性和数值模拟的可靠性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 动、静载荷破岩的研究现状

1．2．1 压头侵入破碎特征研究

1．2．2 压头侵入破碎中形成的裂纹形态及长度

1．2．3 冲击破岩的理论研究

1．2．4 数值模拟技术的研究

1．2．5 动、静组合加载试验设备与技术

1．3 研究课题的意义

1．4 研究内容和方法

第二章 动静组合加载下岩石的损伤断裂分析

2．1 概述

2．2 静载破岩的损伤断裂分析

2．2．1 静压作用下岩石破坏形式分析

2．2．2 静载荷破岩特点分析

2．2．3 压头侵入岩石的损伤断裂分析

2．3 动载破岩的损伤断裂分析

2．3．1 冲击载荷破岩特点

2．3．2 岩石动态断裂准则及其能量耗散

2．3．3 岩石动态损伤断裂分析

2．4 动静组合载荷破岩的损伤断裂分析

2．4．1 动静组合载荷破岩的特点

2．4．2 动静组合载荷破岩的损伤断裂过程与判据

2．4．3 动静组合载荷破岩的损伤断裂分析

第三章 岩石受动、静载荷作用的有限元分析

3．1 概述

3．2 有限元法的基本原理及求解过程

3．2．1 有限元法的基本原理

3．2．2 有限元法的基本构成和求解过程

3．3 ANSYS软件简介

3．4 SOLID65单元

3．4．1 SOLID65单元特性

3．4．2 SOLID65单元的失效准则

3．5 静载荷作用下岩石破碎的有限元分析

3．5．1 岩石及PDC刀具模型

3．5．2 模型网格的划分

3．5．3 加载与求解

3．5．4 结果分析

3．6 冲击载荷作用下岩石破碎的有限元分析

3．7 动静组合载荷作用下岩石破碎的有限元分析

3．8 数值模拟结果分析

第四章 动静组合载荷破碎岩石试验分析

4．1 概述

4．2 动静组合载荷破岩的试验原理

4．3 动静组合载荷破岩装置

4．4 动静组合载荷破岩试验技术

4．4．1 试件制备

4．4．2 刀具的主要参数

4．4．3 试验参数的确定

4．4．4 试验方法和步骤

4．5 试验结果与分析

第五章 全文总结

参考文献

攻读硕士学位期间的主要研究成果

致谢