含水多孔岩石材料冲击动态力学行为研究

摘要

岩石材料的含孔隙、含水等细观特性对其宏观动力学性能有着十分重要的影响，进而影响岩石材料的高速冲击响应、冲击开坑等动力学行为。本文主要采用理论计算、数值仿真分析和实验研究相结合的方法，分析岩石材料含孔隙和含水细观特性对宏观冲击响应行为的影响规律，以及超高速冲击下，围绕含水岩石和干燥岩石的动态力学性能，研究岩石材料的冲击飞溅特性和成坑形态。本文主要研究内容如下:
　　(1)含水多孔岩石材料冲击压缩特性理论模型研究
　　基于冲击动力学、含孔隙、多组分材料物态方程理论模型，开展冲击载荷作用下岩石材料物态方程理论分析，建立综合考虑岩石孔隙、含水特性的冲击物态方程。利用该模型对不同孔隙率和含水量的岩石材料进行理论计算，计算结果与已有实验结果对比，验证了理论模型的可靠性，分析了含孔隙、含水特性对冲击压缩性能的影响规律。
　　(2)含水多孔岩石材料冲击压缩行为细观数值模拟研究
　　从含水多孔岩石材料细观特性入手，结合岩石材料细观照片，经合理简化，建立能够反映材料细观结构特性的岩石材料细观有限元模型。基于AUTODYN有限元计算软件，对岩石材料冲击压缩行为进行细观尺度模拟。结果表明，建立的细观有限元数值模型可以描述含水多孔岩石材料的冲击压缩特性，能够反映岩石材料颗粒、孔隙和含水特性对其动态力学性能的影响规律。
　　(3)高速飞片对含水多孔岩石材料冲击压缩实验研究
　　利用高压室结构驱动飞片撞击岩石试件，开展岩石材料冲击压缩实验研究，对比分析了干燥岩石和含水岩石的冲击波传播规律。在冲击压缩实验过程中，利用PVDF薄膜压电传感器，获得了岩石材料试件的冲击波物理参数，实验所测得的冲击波参数与理论及仿真结果吻合较好。
　　(4)典型含水多孔岩石材料高速冲击开坑实验与数值模拟研究
　　基于上述结果，开展含水多孔岩石材料高速冲击开坑实验，分析干燥岩石和含水岩石的冲击开坑特性，同时前述章节确定的岩石材料细观特性（含水含孔）获得的冲击Hugoniot参数，应用于冲击开坑仿真中，并与已有实验结果进行对比分析。获取岩石材料细观特性对其宏观冲击压缩特性的影响规律，进一步明确了干燥岩石和含水岩石的冲击开坑特性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 岩石材料动态力学性能研究现状

1．2．2 岩石材料动态断裂与破碎机理

1．2．3 岩石材料力学性能的数值模拟分析

1．2．4 岩石材料细观动态力学特性的研究现状及发展趋势

1．2．5 岩石材料超高速撞击开坑实验研究现状

1．3 本文研究的目的、手段和主要内容

2 含水多孔岩石材料冲击压缩特性理论模型

2．1 引言

2．2 岩石材料冲击压缩物态方程计算模型

2．2．1 冲击波守恒方程

2．2．2 多孔材料状态方程

2．2．3 含水多孔岩石材料冲击物态方程

2．3 岩石材料冲击压缩特性理论计算及分析

2．3．1 干燥岩石冲击压缩特性理论计算结果验证及分析

2．3．2 含水岩石冲击压缩理论计算结果及分析

2．4 本章小结

3 含水多孔岩石材料冲击压缩行为细观模拟

3．1 引言

3．2 岩石材料细观模型的建立

3．2．1 典型岩石材料的细观结构特性

3．2．2 岩石细观结构几何模型的生成

3．2．3 岩石材料细观有限元模型

3．3 数值仿真算法、模型及参数

3．3．1 数值仿真算法

3．3．2 数值仿真初始条件与边界条件

3．3．3 材料模型及参数

3．4 冲击压缩行为Hugoniot参数计算

3．4．1 Hugoniot参数物理意义

3．4．2 Hugoniot参数计算方法

3．5 岩石材料冲击压缩细观模拟结果

3．5．1 干燥岩石数值模拟与实验结果对比

3．5．2 不同孔隙率干燥岩石冲击压缩模拟结果

3．5．3 含水岩石冲击压缩模拟结果

3．6 本章小结

4 含水多孔岩石材料冲击压缩行为实验研究

4．1 引言

4．2 冲击压缩试件准备

4．2．1 试件尺寸

4．3．2 试件制备

4．3 岩石材料冲击压缩实验研究

4．3．1 实验原理

4．3．2 实验平台

4．3．3 实验方案

4．3．4 实验结果

4．3．5 实验结果分析

4．4 本章小结

5 含水多孔岩石材料高速冲击开坑行为研究

5．1 引言

5．2 高速破片对岩石材料冲击开坑行为实验研究

5．2．1 实验目的

5．2．2 实验原理

5．2．3 实验平台

5．2．4 试件准备

5．2．5 实验方案

5．2．4 实验结果及分析

5．3 岩石材料冲击开坑行为数值模拟

5．3．1 数值仿真模型

5．3．2 算法的选择

5．3．3 材料参数的选取

5．4 冲击开坑行为数值模拟结果

5．4．1 喷溅形态

5．4．2 开坑形态

5．4．3 开坑结果分析

5．5 本章小结

6 结束语

6．1 研究工作总结

6．2 有待进一步研究的问题

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科学研究情况