脆性材料钻孔爆炸致裂机理研究

摘要

爆破方法具有高效率、低成本等特点，因而在矿山、土木和油气等工程中得到了广泛的应用，因此研究爆破特别是钻孔爆破致裂机理具有很重要的理论意义和应用价值。本文主要研究脆性材料（岩石和混凝土）在爆炸冲击载荷作用下的开裂行为，通过理论分析、数值模拟和实验研究对钻孔爆炸致裂问题进行了较系统的研究，主要内容包括以下几个方面:
　　 钻孔装药爆炸后在距爆源不同的距离会产生破碎区、开裂区和弹性区，根据这三种不同的材料响应行为建立了一种空穴膨胀理论模型，该模型与以前的空穴膨胀模型相比，不同点是空腔初始半径不为0，而是一个有限值。同时在模型中考虑了剪胀效应，这样一来在破碎区内不仅可以描述脆性材料的压缩状态，也可以描述材料的膨胀状态。文中还将理论计算结果与利用实验室自己开发的材料本构模型进行的数值模拟结果进行了比较，发现这两种方法计算得出的空穴壁面处的径向应力大小比较一致。而且通过空穴膨胀模型还可以得出使空穴发生膨胀行为的临界径向应力。
　　 建立了二级钻地弹的侵彻分析模型，研究了靶体中预制孔道直径大小与弹体侵彻深度之间的关系，并与实验结果进行对比，发现两者吻合得很好;优化了二级战斗部系统，并得到了最优侵彻深度与撞击速度、随进弹与前置装药直径之比之间的关系。
　　 数值模拟分析了载荷特性如载荷峰值、加载率和卸载率对钻孔周围破碎区和开裂区范围大小产生的影响。研究发现如果载荷峰值过高会在钻孔周围形成较大范围的破碎区，造成载荷能量的浪费，对宏观连贯性裂纹的扩展延伸没有产生积极的作用;如果载荷峰值过低，钻孔周围介质中的环向应力不足以引起径向裂纹的产生，不利于宏观裂纹的生成。研究还发现在相同冲量的条件下，梯形载荷比三角形载荷的致裂效果好一些，并且载荷的加载率和卸载率对裂纹的数目和长度有很大的影响，加载率越高同时卸载率越低，产生的宏观裂纹越长，但是裂纹数目越少。当使空穴发生膨胀行为的临界径向应力作为载荷峰值的下界时，能够产生较好的致裂效果。
　　 利用实验室自己开发的脆性材料本构模型对花岗岩钻孔爆炸致裂问题进行了数值模拟研究，并与文献中报导的实验结果和实验室自己的实验结果进行了比较。结果表明该本构模型能够较好地模拟脆性材料（岩石、混凝土）在动态冲击载荷下的损伤开裂行为。
　　 采用数值模拟方法研究了裂纹内爆生气体驱使裂纹扩展的过程，并对裂纹内高压气体的分布、裂纹不同位置的张开位移进行了分析，研究发现:裂纹密度越大，驱使裂纹扩展所需要的临界压力也越高;高压气体浸入裂纹内并在孔内膨胀做功的联合作用与只考虑高压气体浸入裂纹内的单独作用相比，前者的致裂效果稍好一些。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 研究综述

1．2．1 理论分析法

1．2．2 实验法

1．2．3 数值模拟方法

1．3 研究中存在的问题

1．4 本文研究的基本思路和主要内容

第2章 冲击载荷对钻孔周围介质的影响

2．1 引言

2．2 空穴膨胀模型

2．2．1 控制方程

2．2．2 球形空穴膨胀模型

2．2．3 柱形空穴膨胀模型

2．2．4 模型的应用与验证

2．3 响应区的数值模拟方法

2．3．1 混凝土／岩石材料的本构关系

2．3．2 有限元模型

2．3．3 模型中主应力的计算

2．3．4 参数的确定

2．3．5 结果与讨论

2．4 本章小结

第3章 脉冲形状对致裂的影响

3．1 引言

3．2 恒定压力载荷的扩孔分析

3．3 脉冲形状对破碎区和开裂区的影响

3．4 本章小结

第4章 钻孔爆炸致裂的实验与数值模拟

4．1 引言

4．2 实验研究

4．2．1 实验准备

4．2．2 实验结果

4．3 数值模拟研究

4．3．1 有限元模型

4．3．2 花岗岩样本本构模型参数的确定

4．3．3 其它材料本构模型参数的确定

4．3．4 数值模拟与实验结果的比较和讨论

4．3．5 验证实验与数值模拟对比研究

4．4 本章小结

第5章 爆生气体致裂数值模拟研究

5．1 引言

5．2 有限元数值模拟研究

5．2．1 粘结单元(cohesive element)法

5．2．2 DEBOND节点释放法

5．3 本章小结

第6章 全文总结及展望

6．1 工作总结

6．2 本文的主要创新之处

6．3 未来工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果