为了研究不同配置的动态应力平衡的岩石标本,建立了SHPB的三维有限元模型。五种配置盘标本直径75毫米,厚度30 mm 5 m / s的速度影响使用异形子弹。应力波的传播规律的接触表面specimen-bar和里面的标本进行分析,和时间压力平衡的历史因素在不同位置的标本。结果表明,透射波的振幅对应于椎间盘标本的五种类型不同的配置有明显的区别,和压力传播标本的三维特征。根据易于达到压力平衡,五个配置标本下令切口半圆弯盘,扁平的巴西圆盘破裂直通夷为平地巴西圆盘,巴西圆盘,破解直通巴西圆盘试样。其中,只有前三个配置的标本达到压力平衡。动态应力平衡是影响盘加载模式,最终接触条件下,预制裂纹的存在,和阀瓣厚度。此外,随着圆盘加载结束是一个处理平台,它有利于实现压力平衡。预制裂缝并不有利于实现压力平衡。的加载方法取得半圆弯盘更有利于实现压力平衡。 This research has a certain guiding significance for selecting suitable specimen configuration and research methods to carry out rock dynamic fracture experiments.
煤矿开采深度的逐渐增加,相应的煤岩体应力水平的增加,气体和水文等地质条件越来越复杂(
男人和周(
经典的“三波法”已被广泛用于验证样品的压力平衡。的叠加值入射波和反射波与透射波,也就是说,样本被认为是在一个压力平衡状态。在此基础上,阴et al。
理论上,它似乎是合理的判断的压力平衡标本根据应力波的上升边的长度。然而,由于压力传播的复杂性在椎间盘标本的加载(
总之,在圆柱轴向加载SHPB实验标本的有效性已被广泛认可。然而,仍有争论的压力平衡盘的径向加载SHPB试验标本的标本。并没有统一的标准配置和标本的大小。建立了三维有限元SHPB模型的数值模拟方法。动态应力分布特征和动态应力平衡因子的历史椎间盘标本进行了分析。五种类型的配置参数的影响椎间盘标本的动态应力平衡进行了研究。SHPB试验研究具有一定的指导意义的岩石标本具有特殊的结构。
SHPB实验装置图如图
在应变仪测试,事件栏上的“1”记录了入射波应变信号<我nl在e-formula>
与传统的圆柱形子弹的影响,一个大约可以生成矩形应力波对此事酒吧,和波形的前沿非常短,伴随着波头振荡和色散效应。然而,岩石的抗拉强度较低,破坏时应变很小,所以很难矩形应力波前达到压力平衡岩石标本被摧毁。克里斯腾森et al。
为了方便测量的动态抗拉强度、断裂韧性等岩石力学参数,应用了很多盘标本的各种配置SHPB实验。然而,目前还没有相关研究椎间盘标本与不同的配置是否能满足应力平衡和压力平衡的程度。
考虑五个类型的椎间盘标本,如表所示
应力平衡系数,无因次压力不同试样的两端,定义和广泛使用
在公式(
使用有限元软件ANSYS中的LS-DYNA模块,一个三维的酒吧的SHPB模型建立了直径100毫米,如图
在模型中,子弹和压力条同样的钢铁材料,和砂岩同质性被选中。具体材料参数如表所示
固体164 eight-node六面体的元素是用来促进应力波的传播。子弹和支柱除以一个映射方法,以及啮合标本是由全面执行部门的技术。如数据所示
子弹撞击事件栏5 m / s的速度,和应力波的波长约454<我t一个l我c>
μ我t一个l我c>年代了酒吧的压力。为了避免叠加的压力波的酒吧,横截面中心单元事件栏上的选择和传动杆的距离1.4米的加载试样,分别。对比栏上的压力波形图所示
事件栏上的压力波形不同的模型。
传输栏上的压力波形在不同的模型。
从图可以看出
传播的应力波测量酒吧的五个模型如图
从应力波的生成到传入的标本,需要504<我t一个l我c>
μ我t一个l我c>年代,应力波从传入的标本为即将离任的标本<我nl在e-formula>
双相障碍模型,当应力波传播到标本,标本中的应力分布严重不对称,如图
应力分布在BD标本在不同的时间。
640年<我t一个l我c> μ我t一个l我c>年代
658年<我t一个l我c> μ我t一个l我c>年代
688年<我t一个l我c> μ我t一个l我c>年代
770年<我t一个l我c> μ我t一个l我c>年代
定期监测模型,在应力波传播为86<我t一个l我c>
μ我t一个l我c>年代的标本,标本中的应力分布趋于均匀,如图
应力分布在定期监测标本在不同的时间。
558年<我t一个l我c> μ我t一个l我c>年代
590年<我t一个l我c> μ我t一个l我c>年代
660年<我t一个l我c> μ我t一个l我c>年代
688年<我t一个l我c> μ我t一个l我c>年代
CSTBD试样的应力分布在不同的时间显示在图
应力分布CSTBD试样在不同的时间。
630年<我t一个l我c> μ我t一个l我c>年代
648年<我t一个l我c> μ我t一个l我c>年代
660年<我t一个l我c> μ我t一个l我c>年代
790年<我t一个l我c> μ我t一个l我c>年代
在装运过程中,应力波传播CSTFBD标本,来回和试样的应力分布相对均匀,享年590岁<我t一个l我c>
μ我t一个l我c>年代,如图
应力分布CSTFBD标本在不同的时间。
565年<我t一个l我c> μ我t一个l我c>年代
590年<我t一个l我c> μ我t一个l我c>年代
660年<我t一个l我c> μ我t一个l我c>年代
710年<我t一个l我c> μ我t一个l我c>年代
在520<我t一个l我c>
μ我t一个l我c>年代,上下对称的应力分布的一部分NSCBD标本是对称的,然后标本的压力动态变化,但它仍然是对称分布,如图
应力分布NSCBD标本在不同的时间。
580年<我t一个l我c> μ我t一个l我c>年代
612年<我t一个l我c> μ我t一个l我c>年代
712年<我t一个l我c> μ我t一个l我c>年代
932年<我t一个l我c> μ我t一个l我c>年代
由于标本和有限元模型的网格都是对称的,两端对称元素的压力的标本可以选择来确定应力平衡因子<我nl在e-formula>
单位选择的标本。
应力平衡系数曲线5类型的椎间盘标本在不同的厚度。
BD标本
定期监测标本
CSTBD试样
CSTFBD标本
NSCBD标本
比较数据
文献[
应力平衡系数曲线在加载直径韧带椎间盘标本的四种类型。
BD标本
定期监测标本
CSTBD试样
CSTFBD标本
如数据所示
为了分析整个试样的应力平衡,压力平均值不同厚度的单元两端的标本被替换成公式(
应力平衡系数随时间的变化曲线5配置标本。
的压力平衡分析结果5配置盘标本。
| 模型 | 初始平衡时间<我t一个l我c> t我t一个l我c>1年代ub>(<我t一个l我c> μ我t一个l我c>s) | 张力峰值的标本<我t一个l我c> t我t一个l我c>2年代ub>(<我t一个l我c> μ我t一个l我c>s) | 平衡过渡时期(<我t一个l我c> μ我t一个l我c>s) | 中值的<我nl在e-formula>
|
|---|---|---|---|---|
| 双相障碍 | 658年 | 872年 | 154年 | 0.143 |
| 定期监测 | 588年 | 904年 | 84年 | 0.038 |
| CSTBD | 648年 | 890年 | 144年 | 0.147 |
| CSTFBD | 590年 | 912年 | 86年 | 0.044 |
| NSCBD | 520年 | 932年 | 16 | 0.006 |
压力平衡的因素<我nl在e-formula>
压力平衡的因素<我nl在e-formula>
压力平衡的因素<我nl在e-formula>
从上面的分析中,不同的应力平衡配置标本是不同的,和压力平衡的标本与条件,厚度、裂缝的存在与否,和加载模式标本。
结果部分
等效应力分布的部分加载直径韧带。
BD标本
定期监测标本
CSTBD试样
CSTFBD标本
为了定量分析椎间盘的应力状态不同厚度的标本,基于BD的四个标本,定期监测,CSTBD, CSTFBD,所有单位的压力<我nl在e-formula>
应力分析在不同厚度的韧带部分加载。
BD标本
定期监测标本
CSTBD试样
CSTFBD标本
定义应力分布的分散在试样厚度:
因此,近<我t一个l我c>
ξ我t一个l我c>是0,更统一的横截面上的应力分布。应力分布分散在BD的厚度,定期监测,计算CSTBD, CSTFBD标本<我t一个l我c>
ξ我t一个l我c>1,<我t一个l我c>
ξ我t一个l我c>2,<我t一个l我c>
ξ我t一个l我c>3,<我t一个l我c>
ξ我t一个l我c>4,如图
应力分布分散在标本的厚度。
图
与圆柱试样不同,接触的圆盘试样与酒吧很小的压力。事实上,巴西圆盘和酒吧之间的首次接触几乎只有一条线,以及巴西圆盘之间的接触表面和酒吧只是一个小平台。当应力波传播从一小部分标本的断面压杆,透射波的振幅比入射波。更大的接触面积的比值的压力杆标本,透射波的振幅越大。接触表面为0时,透射波振幅约为入射波的两倍。这种现象可能会导致试样破坏的事件结束,未能达到压力平衡状态。
横截面的大小圆盘试样的加载方向是不断变化的,可以视为一系列加强微量元素,并有很强的不连续。当应力波通过不连续微量元素时,应力波的振幅将成为原始<我nl在e-formula>
的公式,<我nl在e-formula>
比较<我nl在e-formula>
Nonaxial压力中心单位的最后两个标本。
它可以看到从应力云图分析部分
基于上述分析,圆盘试样的最后的接触面积很小,导致应力集中的标本,标本的三维应力传播,应力波传播路径的浓度<我nl在e-formula>
通过物体的应力波传播理论的假设是基于一个统一的对象。应力波的传播无限异构岩体,认为当弹性波的波长远远大于规模参差不齐的岩石,岩石质量可以被视为一个同质的对象。然而,相比之下,圆盘试样预制裂纹的大小、裂缝的惯性效应不容忽视。
在应力波的传播路径,波损失和散射发生在裂纹尖端,如图
三维CSTBD试样的应力分布。
就像其他配置标本,NSCBD标本受到厚度、加载结束,和裂缝,但其压力平衡是最好的。主要原因是强调不同的标本。如图
装货比较BD和NSCBD标本的方法。
加载盘标本的方法
加载NSCBD标本的方法
节中讨论的四个影响因素之间的相互作用
为了量化和比较四个因素的影响在圆盘的厚度,最终平台,预制裂纹,和加载方法在试样的应力平衡,压力平衡的因素<我nl在e-formula>
四个因素的影响因素。
很多文献提到的经典三波法来验证压力平衡。通过模拟发现,因为椎间盘标本之间的接触表面和压杆很小,应力波的振幅测量传输栏上的很小,很难准确地捕捉它在这项实验中,这是不利于使用三波方法验证压力平衡。
模型使用一个圆盘直径75毫米,厚度30毫米。三维应力分布的影响试样的应力平衡进行了分析。然而,如果圆盘厚度增加或减少,这将不可避免地影响应力分布在圆盘的厚度标本,和法律的压力平衡阀瓣标本与厚度将会改变。如果试样直径的增加,需要更多的时间对应力波传播的事件结束传输结束增加,和其他因素的影响将被放大。在这些情况下,样品是否可以达到压力平衡故障前需要进一步的研究。
当准静态方法用于确定动态抗拉强度、断裂韧性,和其他参数的岩石材料,要求这一事件结束,传输样品达到力平衡,以便测量参数是有意义的。因此,压力平衡是一个必要条件使用准静态方法来确定圆盘试样的动态力学参数。但experimental-numerical方法,结合实验数据和三维酒吧模型,来确定岩石的动态断裂韧性材料,不需要遵守任何静态公式和没有必要达到压力平衡。
有限元数值模拟方法用于建立一个三维的酒吧SHPB模型。5配置类型的椎间盘标本直径75毫米,厚度30毫米。异形子弹的冲击速度5米/秒。之间的接触条件四个因素被认为是:酒吧和标本的压力,阀瓣厚度、裂缝和加载方法。通过比较三维应力分布特征的五种配置盘标本和分析压力平衡因素对试样的厚度和加载直径韧带,发现有一定差异的压力平衡盘的五个配置。主要结论如下:
盘平台末端的标本更有利于达到压力平衡,和标本含有裂缝并不有利于实现压力平衡。标本的裂缝,没有平台,三点弯曲加载更有利于实现压力平衡
据的压力达到平衡,五个配置命令的顺序NSCBD,定期监测,CSTFBD, BD, CSTBD。其中,BD和CSTBD试样不受结束条件和裂缝的影响,不能达到压力平衡。定期监测和CSTFBD标本可以达到压力平衡由于平台的优势。NSCBD标本可以更容易达到压力平衡由于特殊的加载方法
圆盘试样配置不满足一维性质,和内部应力分布的三维特征。预制裂纹的存在使压力波的传播更为复杂。因此,动态应力平衡盘的标本有很强的局限性
通过比较分析五种圆盘试样的应力平衡,利弊评估,揭示SHPB压力平衡盘试样配置有严格的要求。此外,它提供了一些参考选择适当的样本配置和研究方法。具有重要意义准确地测量岩体的动态断裂特性。
excel数据支持本文研究包括在补充文件。
作者宣称没有利益冲突。
这项研究是由中国国家自然科学基金(没有。51674101)。