图 1是SHPB试验系统。本研究使用一个SHPB试验系统进行了动态压缩测试。SHPB试验系统有300 mm长的圆柱形子弹,10毫米×10毫米×3毫米橡胶板牛头刨床,和事件和传输棒由40铬合金钢,直径50毫米,密度为7810公斤/米<年代up>3,纵波速度5190米/秒。高速相机是用来记录样品的裂纹扩展过程。

在这项研究中,大块的煤没有灰尘分离和明显的裂缝作为基材,和垂直煤样品表面钻孔,切割,和地面,直到达到样品的直径50毫米。考虑到困难处理薄煤样品,8组(每一个都由3样本)的样本 l / D 比率为0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,和1.0,样品的两端的不均匀是< 0.05毫米,两端的不平行度< 0.02毫米。物理参数,如准备样品,体积和密度的测量。U510非金属超声波探测器是用来精确确定样品的波速。调查是合理对齐和密切接触标本通过偶联剂。同时,标本有明显损伤和波速偏差> 10%被排除在外。样本标注 D,每组样本连续编号。例如,“d - 0.5 - 2”表示第二个样本组的动态加载样品 l / D 比率为0.5。

讨论煤的效果 l / D 比率的压力平衡,本研究使用一个统一的影响空气压力和高速碰撞前的速度来确定通过激光测速仪在入射杆的前面。收集准确的波形数据,事件和传动杆水平和同中心地在测试前,对齐和空杆与凡士林作为润滑剂校准和调整,确保大幅没有反射波。

铜表测试后,胶布,脉冲牛头刨床和其他材料,本研究采用一个正方形橡胶板的塑造者。图 2古典的波形图显示了煤炭SHPB试验用橡胶单脉冲形成器。如图,压力波平滑作为一个整体和展览没有独特的色散效应,这符合一维应力波传播理论。的入射波是半正弦波与前沿,促进的应力均匀性标本,反映和传播波与入射波的波形。

电压信号被一个示波器与应变仪计算方法和转化成株。的应力、应变和应变率的样品计算使用方程( 1基于SHPB实验理论得到结构应力历史曲线,strain-time历史曲线和应变历史产量-时间曲线,从而计算样本的动态强度和平均应变率( 32]。样本的动态应力-应变曲线绘制基于应力历史曲线和strain-time历史曲线。煤的变化动态变形行为 l / D 比例如表所示 1。 (1) σ t = E 一个 一个 0 ε T t , ε t = − 2 c 0 l 0 ∫ 0 t ε R t d t , ε ˙ t = − 2 c 0 l 0 ε R t , 在哪里 ε R t 和 ε T t 是strain-in-rod对应一次反射波和透射波吗 t 在独立的传输,分别; 一个 , E , c 0 代表了横截面积、弹性模量和弹性压杆的纵波速度,分别;此外, 一个 0 和 l 0 原始横截面积和长度的样本,分别。

图 3是一个典型的动态应力-应变曲线的煤与不同 l / D 率SHPB试验。如图,煤炭的动态应力-应变曲线可以分为以下三个阶段,根据形状、坡度和曲线的曲率。图 4显示了阶段的动态应力-应变曲线。

弹性阶段( d 2 σ / d ε 2 = 0 , d σ / d ε > 0 阶段在图 4):这个阶段的应力-应变曲线能直线上升。自从动态加载速率高于静态加载速率、样品显然是脆性的,其应力-应变曲线不同于静态载荷作用下,和它最初上升一定的斜率。在这个阶段,样品负载的增加,应力波的反射和折射样本,样本的内部压力均匀,试样的弹性能量积累,但压力不足以造成损害。在这个阶段,曲线的斜率,即。,the dynamic modulus of elasticity of coal, remains substantially unchanged.

塑料阶段( d 2 σ / d ε 2 < 0 , d σ / d ε > 0 、舞台 b在图 4在这个阶段):应力-应变曲线是凸。在弹性阶段,样品的弹性能量不断增加。变形突破其弹性极限时,微裂隙内的样品开始扩大和不可逆的塑性变形发生。曲线的斜率逐渐减小,裂纹扩展速率逐渐增加,和许多新裂缝发展;因此,压力达到最大值。

破坏阶段( d σ / d ε < 0 、舞台 c在图 4):在此阶段,应力-应变曲线下降,样品应力超过其强度极限。在这一点上,试样应力减少,显著减少在快速变形和承载力结果失败。

不同变质程度煤的应力-应变曲线 l / D 比率实质上是一样的,包括三个阶段,但其曲线特征明显不同。比较(图曲线的特征 3)的煤与不同 l / D 比例如表所示 2。 (1)

prepeak曲线弹性阶段的比例如表所示 2。随着 l / D 比例增加,弹性阶段的比例的prepeak曲线示例逐渐从61.5%下降( l / D = 0.3)到21.2% ( l / D = 1),减少65.5%。postpeak菌株从0.01955下降到0.00865,这表明样品的弹性变形小 l / D 比更充足,因此有很强的抗变形。

根据应力波传播的基本理论,在SHPB冲击试验,样品的假说,内部压力达到均匀之前失败是可靠的测试结果的先决条件,即。,样品的两端压力应该相等。然而,由于法律的试样中应力波的传播,两端的压力总是不平等的,和人们普遍认为,压力达到平衡时两端之间的应力差小于5%的压力在样例( 32]。定量描述压力平衡的影响,李et al。 33)定义的比例两端的压力之间的区别 σ 年代 我 − σ 年代 T 他们的平均 σ 年代 我 + σ 年代 T / 2 应力平衡因子 η 描述试样的应力平衡, η 可以从应变仪获得方法: (2) η = 2 σ 年代 我 − σ 年代 T σ 年代 我 + σ 年代 T = 2 V 年代 我 − V 年代 T V 年代 我 + V 年代 T , 在哪里 V 年代 我 = V 我 + V R 代表事件的总和(电压和反射电压 我+ R曲线在图 5), V 年代 T = V T 表示电压(传播 T曲线在图 5)。图 5提供经典的压力平衡关系图8和样品不同 l / D 比率。

如图 5,当 l / D = 0.3和0.4之间的巧合 V 年代 我 和 V 年代 T 曲线是非常高的, η 较大的波动在初始段的前沿。随着应力波的增加, η 在周围的边缘和峰值大幅波动上升0。压力平衡可以达到样品的两端,这表明应力均匀性可以达到标本之前被摧毁。当 l / D = 0.5和0.6, η的前沿 V 年代 我 和 V 年代 T 曲线接近0,但压力平衡并没有完全实现。传播应力达到峰值时, η 基本上是接近0,大幅标本中的压力达到平衡。当 l / D = 0.7,0.8,0.9,1,有大量时间差异或压力的峰值之间的区别 V 年代 我 和 V 年代 T 曲线,导致较低的巧合,和 η 未能保持在0在故障样本的影响,所以它是不可能的示例实现应力均匀性;即强调两端处于非平衡状态。

其他影响样品的压力平衡也分析了根据方程( 2)。结果表明,样品 l / D 比率为0.3,0.4,0.5,和0.6表现出高度的压力平衡,实现了应力均匀性之前失败。为样本 l / D 0.3和0.4的比率,压力平衡是最好的,同时为样本,这是极其困难的 l / D 比率为0.7,0.8,0.9,1达到压力平衡。分析表明,有一个至关重要的 l / D 率达到压力平衡样本,如煤炭,当 l / D 比率是在这样一个临界值,这将是不可能的样本期间达到压力平衡的影响。

η 提供了一种方法来确定样品的两端压力平衡在给定的时刻。进一步确定压力达到平衡之前样品在SHPB试验失败, η 年代传播的峰值应力前进行统计分析来定义压力平衡系数 ξ : (3) ξ = n N × One hundred. % , 在哪里 ξ 压力平衡系数; N 的数量是 η 年代在样本的传输压力的峰值;和 n 代表的数量 η 年代在样例,满足的条件 − 0.05 ≤ η ≤ 0.05 。

在SHPB试验煤、前沿的动态影响持续160 - 190 μ 年代。减少样品的不均匀应力的影响在初始阶段,1/4th-1/3rd整个上升时间(约50 μ 前沿后被选中。考虑到 ξ 被用来确定应力平衡样品失败之前,达成传播应力峰值被选为目标,和 η 年代50年代的第一个被选为样本(图中阴影部分所示 5)。 ξ 用这种方法计算,平均 ξ 值对应于样品 l / D 比率为0.3,0.4,0.5,和0.6分别为87.3%,64.6%,28.7%,和16.4%,分别,而相应的最低 ξ 值分别为80%、46.6%、20.2%和4.6%,分别。的 ξ 的标本与其他 l / D 比例是0,即压力平衡无法满足在失败面前这些标本。

结果表明,从应力的角度平衡,最优 l / D 比煤炭样本应该是0.3或0.4,当 l / D 大于临界 l / D 比率为0.6,这是不可能的标本达到压力平衡。

平均应变率指的是应变率峰值应力对应的样本。应变的应变率是单位时间内的样本,可以描述样本的加载条件。图 6显示了平均应变率的变化曲线 l / D 比率。

样本来自同一母岩,但由于煤炭的异质性,仍有一些样品之间的差异。因此,有一定程度的分散在煤的平均应变率是一样的 l / D 比率。然而,总的来说,随着 l / D 比例增加,从296.49秒的平均应变率逐渐降低<年代up>−1( l / D 102.85 = 0.3)<年代up>−1( l / D = 1),减少65.31%。

基于平均应变率的各种特点 l / D 它们之间的函数关系,通过曲线拟合: (4) ε ˙ = 24.872 + 83.431 l / D − 0.961 , R 2 = 0.979。

如方程所示( 4), l / D 比率的增加,试样的平均应变率在一个近似幂函数下降,下降的趋势逐渐放缓。图 7显示了裂纹扩展形态的煤的照片和样品不同 l / D 使用高速照相机比率(0.3 - 1)。结合图 7照片由高速摄像机的冲击造成的故障样本,分析显示, l / D 比例的增加,裂缝生成减少,和更少的裂缝是交联的。简称为标本,在摩擦,径向变形很小,中间的标本的应力集中和快速上升,迅速发生变形,和试件的裂缝发展很明显,最终反映为高应变率和失败。长标本,然而,最终的摩擦是削弱,试样的应力集中在中间也相应减少,减缓压力的增加,径向变形增加,最终反映出相对较低的应变速率和分裂失败。

峰值应变不仅是一个重要的参数描述试样变形的程度,但也是煤的基本力学参数。峰值应变的变化曲线 l / D 比例如图 8。

如图 8,增加 l / D 煤比、峰值应变逐渐减少。整个变化过程大致可以分为2个阶段如下:(1)时 l / D 比率从0.3增加到0.6,从0.0461到0.0251大幅降低,峰值应变与减少45.55%;(2)当 l / D 比从0.7增加到1,峰值应变较低利率从0.0203下降到0.0143,下降了29.56%。基于这种变化特性,一个指数函数被用来适应曲线获得功能性和峰值应变之间的关系 l / D 煤的比例: (5) ε = 0.0132 + 0.113 × 0.01417 l / D , R 2 = 0.969。

根据方程( 5), l / D 比例的增加,煤的峰值应变逐渐减少成倍增长。结合煤与不同的应力-应变曲线的分析 l / D 比率(图 3),结果表明,随着 l / D 标本的比率增加,破碎的片段之间的相对接触减少,相对位移增加,发生明显的塑性变形,通过增加塑料的比例阶段前的应力-应变曲线峰值。因此,样品的强度和可变形性下降,导致最终的变形减小。宏观上,这是反映在增加与增加煤碎片 l / D 比率。图 9显示样品用不同的失效模式 l / D 比率。

峰值应力的动态抗压强度是煤和煤的极限承载力的措施。动态弹性模量可以描述煤的抗变形在高应变率。图 10显示了峰值应力和动态弹性模量的煤与不同的样品 l / D 比率。分析部分 3.2表明,当 l / D 比超过0.7,样品无法达到压力平衡和满足应力均匀性的假设,这是由图中的虚线表示 10。样品表现出一定程度的分散,但煤炭的整体峰值应力逐渐降低,和动态弹性模量逐步增加而增加 l / D 比率。