摆锤冲击加载巴西盘SHPB试验及数值模拟

摘要

在矿山开采过程中，地应力的大小随着开采深度不断增加，在高地应力条件下，脆、硬弹性岩体突发岩爆、矿井深部冲击地压等地运动研究与工程处理，包括监测、预警技术与防治技术这些属于岩石动力学灾害的问题急需岩石力学工作者去解决。由于岩石的动载作用必须考虑惯性效应，即波效应，因此对于研究应力波对岩石的影响极为重要。现阶段分离式霍布金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar，缩写为:SHPB）实验技术被广泛应用于岩石等材料动态力学性能的研究工作中去。另外，随着计算机技术的发展，通过数值模拟的手段也被应用到岩石力学研究工作中去。
　　本文研究工作通过物理实验和数值实验两个方面展开，首先使用东北大学自行设计的摆锤冲击加载SHPB实验装置，利用自行设计的三种异形冲锤分别对巴西盘试样进行动态加载实验，得到规律性结果。另外，基于东北大学岩石破裂失稳中心研发的RFPA2D-Dynamics程序对动态载荷条件下巴西盘SHPB实验进行数值模拟的研究工作。本文主要研究内容如下：
　　(1)首先，提取自行设计三种异形冲锤所产生应力波，利用自行编译的一维波动程序进行计算对比分析，验证设计冲锤的合理性。研究不同冲锤加载条件下巴西盘试样动态抗拉强度变化规律，并找到岩石动态抗拉强度与动态载荷变化的关系。
　　(2)其次，观察巴西盘试样的动态劈裂形式，通过对比在较低的冲击速度情况下，与较高冲击速度下巴西盘试样破坏模式的不同，讨论这种现象产生的原因。
　　(3)基于RFPA2D-Dynamic版本对巴西盘进行动态加载数值实验，研究不同动态加载条件对试样损伤初始时间，及发生破坏时间的影响。
　　本文通过针对巴西盘试样进行的物理实验和数值实验，两方面进行对比验证得出规律结果的准确性，物理实验可以更直观的观察岩石破坏模式受动态载荷变化的影响，数值实验可以观察到岩石细观损伤发生，破坏时间受不同动态加载条件的影响，两种实验手段紧密配合，使研究工作更为全面进行。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 岩石动力学研究现状

1．3 霍普金森压杆(SHPB)技术

1．4 本文技术路线

第2章 巴西盘SHPB试验装置及其理论基础

2．1 SHPB试验装置

2．1．1 SHPB试验注意的问题

2．2 摆锤冲击加载岩石动态试验装置构思及其原理

2．2．1 摆锤冲击加载SHPB实验装置

2．2．2 SHPB实验原理

2．3 静、动载荷状态下SHPB实验原理

2．3．1 静态巴西盘实验原理

2．3．2 动态巴西盘实验原理

2．4 花岗岩试样的制备

2．5 本章小结

第3章 异性冲锤设计原理及基于一维波动程序模拟

3．1 不同种异性冲锤加载波形探究

3．1．1 异性冲锤研究思想

3．1．2 异性冲锤冲击入射波形特征探究

3．2 利用一维波动程序计算结果

3．2．1 一维波动程序的理论基础

3．2．2 一维波动程序数值模拟与实测数据波形对比

第4章 动态巴西盘SHPB试验及破坏模式分析

4．1 实验的前期注意事项

4．2 动态巴西盘SHPB冲击实验

4．3 岩石破坏形式的分析

4．4 本章小结

第5章 动态载荷作用下巴西盘SHPB数值试验

5．1 RFPA程序简介

5．2 室内岩石常规实验

5．3 岩石试样静态SHPB数值实验

5．3．1 静态模型的建立

5．3 动态加载条件下岩石劈裂试验的数值计算

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 全文结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介