文摘

针对测定岩石材料的合理加载波形,比较影响测试载荷下的矩形和half-sine压力波进行红色砂岩使用Ø50毫米SHPB装置。实验结果与矩形应力波肯定波形弥散和应力-应变曲线振荡经常存在在岩石材料的测试,这意味着测试结果的准确性由矩形应力波加载无法保证。加载下的half-sine应力波,波色散的现象在测试已经被彻底消灭了,而且没有振荡的应力-应变曲线。进一步论证的合理性half-sine波加载在SHPB试验,利用三维数值模拟方法,传播的矩形,三角形,half-sine压力波在SHPB的轴向和径向方向旅行有四个弹性杆直径大小进行了分析和比较。结果表明,矩形和三角形应力波的波形弥散总是存在,将越来越严重增加直径大小和传播距离。half-sine应力波,波形弥散效应非常弱,不受钢筋直径大小和传播距离。half-sine应力波是岩石SHPB试验的合理加载波形不同钢筋直径。

1。介绍

岩石工程往往受到很多动态载荷(如爆破、影响、罢工和地震)(1]。岩石材料在动态负载下的动态属性的基本属性和还提供基本的信息设计的地下防护工程对爆炸和冲击载荷。众所周知,分离式霍普金森压杆(SHPB)已经被广泛应用于岩石动力学的调查材料(2- - - - - -4]。但值得注意的是最初的SHPB装置主要是研究发明了金属材料(圆柱试样直径7 - 13毫米,长度也处理小/直径比),并采用矩形应力波冲击试验(5]。与金属材料相比,岩石材料本质上是一种固体聚合是由矿物质和其他物质和多孔介质结构属性有两个主要特征,各向异性和非均质性。在标准的静载荷试验,国际岩石力学学会(ISRM) [6),以及许多测试法规,建议圆柱形岩石试样的直径应该是大约50毫米,混凝土试件的建议是大于70毫米。结果,大直径岩石标本是必要的同时实施使用SHPB冲击试验。最近,许多研究机构或大学已经配备了SHPB系统在钢筋直径等于或大于50毫米,和基于,众多相关研究也一直在进行(7- - - - - -11]。然而,有几个关键的问题需要解决时,传统的矩形应力波产生的圆柱形前锋应用于岩石材料在大直径SHPB试验,如波形弥散,应力-应变曲线振荡、压力平衡(12- - - - - -14]。这些问题会导致不适当的应用一维应力波理论对大直径SHPB装置。因此,对于大直径SHPB装置,它渴望确定一种加载波没有分散,振荡,并且可以在测试期间达到压力平衡条件,和half-sine引入了应力波在许多实验研究[7,15]。然而,在这些研究中,比较测试岩石材料的力学和能量特征下的矩形波和half-sine应力波是相对较少的。

为了比较动态属性下的岩石材料矩形和half-sine压力波,影响测试下的红色砂岩进行了矩形波和half-sine应力波在一个Ø50毫米SHPB装置。此外,对应力波在不同波形的特点,传播的矩形,三角形,half-sine压力波,分析比较了在不同直径钢筋的使用三维数值模拟方法。实验和数值结果表明,该half-sine应力波是岩石材料的合理加载波形SHPB试验。

2。SHPB的测试原理

如图1在实际的SHPB试验(4),一块岩石标本夹在事件和传播酒吧(事件栏和传播栏的长度是2000和1500毫米);射手(在本研究中,圆柱和纺锤状前锋具有相同直径50毫米和410和360毫米的长度,分别),相同的材料作为事件栏,苍蝇气体压力的作用下,影响事件栏,导致压力脉冲启动时加载事件结束酒吧和旅行对岩石标本。在一维应力波理论的假设,压力脉冲 ,即。,the incident stress wave, propagates forward with velocity在事件栏E和ρ是酒吧的弹性模量和密度,分别。抵达后岩石specimen-bar表面,反射压力脉冲和压力脉冲传播的生成事件和酒吧、传播。这一事件应变信号和反映应变信号由应变计测量G₁贴在中间事件的酒吧和应变信号传播应变计的G₂。注意,三两应变仪测量的应变信号代表那些来自部队试样的两端。

根据以上参数的测量,平均压力 ,应变率 ,和应变岩石标本可以通过下面的公式来描述16]: 在哪里和的横截面区域是酒吧和标本,分别和样品的长度。

能量的计算在测试期间,吸收能量E_年代的标本被表示为加载 在哪里E_我,E_R,E_T是事件、反射和传输能量,分别;他们可以获得的16] 在哪里应力波的持续时间。

3所示。实际的实验分析

了解波旅游属性的SHPB试验和岩石的反应在矩形和half-sine压力波,我们首先进行了实验没有标本在不同位置的测量波形。然后,红色砂岩也由实验使用矩形和half-sine压力波。节中描述2、矩形和half-sine压力波产生的影响事件栏通过圆柱和纺锤状前锋,另行规定。纺锤状的物理尺寸如图前锋在这个研究2(15]。当使用下面的前锋,half-sine应力波的持续时间大约是200微秒,和事件压力波形的振幅可以改变了前锋的位置和应用压力容器中的气体压力。当然,前锋的长度和形状会导致压力波形的变化,和相关的调查可以发现在17]。

3.1。试样

对比试验的标本用于提取相同的红色砂岩块。红色砂岩的平均纵波速度是3084米/秒。密度是2390公斤/米³。岩石的块被制造成标本,直径50毫米,高度/直径比为1.0。然后,所有的标本都精心打磨的表面,这样标本和压力棒可以在测试期间联系。在执行测试之前,所有的标本被分为两组,按照类别的加载波形。例如,标本R1是第一个样本用于矩形波加载下的冲击试验。同样,标本标签“氢气”表明这个标本是第二个的利用率half-sine应力波加载测试。同时,所有标本的一些力学参数测量。

3.2。测试结果

在执行测试之前,检查如果SHPB试验情况良好是必要的,以确保设备操作。图3给出了实现矩形和half-sine应力波后影响没有标本。在这种情况下更清楚地观察SHPB波传播和矩形应力波之间的对比和half-sine应力波测试持续时间,五个位置事件和传播设计的酒吧有波形的测量在不同的位置。测试结果如图4。

从数据3(一个)和4 (b),可以发现,矩形的振荡波形显示在测量期间变得越来越暴力沿着酒吧随着距离的增加(从职位我到V)。波形传播在短时间内波动较大的振荡幅度与前波形相比,尤其是对于那些传播栏上的记录。最大的振荡幅度是将近一半的相应的波形,这表明当应变信号测量仪表的G₁和G₂如图1用来表示这些标本的两端,信号发生失真。然而,观察(图五half-sine脉冲4 (c)沿着酒吧)显示,随着距离增加,振荡波形保持不变和几个可以指出在整个旅游阶段。这表明half-sine应力波旅行时不会分散在酒吧和应变信号测量的G₁和G₂这波载荷作用下可以完全取代这些标本的两端没有出现失真。half-sine加载脉冲的应用可以克服波形弥散在SHPB试验,表明非分散的波形,提供了使用half-sine应力波。

进一步阐明岩石材料的SHPB试验结果的准确性,影响测试的红色砂岩在矩形和half-sine应力波载荷。压力平衡,应变率历史,应力-应变曲线的振荡测试标本进行调查。图5显示了典型压力平衡的岩石标本的载荷下矩形和half-sine压力波。它可以观察到,当标本受到影响加载矩形波(图5(一个)),事件的叠加计算应力和反射应力(公司+ Re)有一个特别严重的波动和大大不同于传播的压力。换句话说,一个临时的应力平衡状态达到125时,时间的流逝μ年代,但它只持续了大约25μ年代。half-sine条件下应力波加载(图5 (b)),发现优秀的一致性之间的公司+压力和传输压力,有更少的波动与矩形波加载下。

近均匀应力和应变率加载期间的大部分是一个重大的特点强调标本在岩石的动态冲击试验材料。图6给出了应力和应变率历史的代表性标本R4和H9受到half-sine和矩形应力波,分别。比较的压力和应变率随时间变化的两个标本发现标本受到的压力half-sine应力波加载仍相对甚至整个加载持续时间。在矩形波加载下,压力波动严重试件达到峰值应力之前。类似的观察应变率也可以指出。最重要的是,在40到65的持续时间μ年代(图6 (b)),产生的应变率half-sine应力波似乎是稳定的。这意味着half-sine压力脉冲使岩石试样变形稳定影响测试期间。相比之下,在一段20∼160μ年代,矩形应力波引起的应变率持续震荡,表现出不稳定压力的标本在大多数加载时间。

标本的应力-应变响应的比较两个加载波的作用下,六组标本12日应力-应变曲线。每个包含两个标本相似的平均应变率。作为显示在图7,由此产生的矩形波载荷引起的应力-应变曲线的标本显示大波动峰值应力前一块岩石标本。更确切的说,有近四波的波动在标本被带到合成应力-应变曲线的峰值应力。最大的压力振荡幅度在四个波动在每个应力-应变关系已达到1/3到1/2的峰值应力对应的标本。加载的骨折标本显示在图中8,可以看出,随着相似的应变率,损伤程度的两个压力波形载荷作用下岩石标本非常接近。本文中的测试砂岩属于泥质粉砂岩。它还可以看到从图8,尽管润滑剂应用两端的标本在测试过程中,一定的摩擦效应仍然出口,导致标本上的锥形破裂表面碎片。

相反,试样的应力-应变曲线由half-sine加载应力波表现良好,拥有小波动。half-sine应力加载波产生了令人窒息的应力-应变关系。进一步比较,数据的峰值应力和能量吸收的单位测试标本被绘制为应变率的函数,给出的图9。

可以知道,单位能量吸收了来自加载波与应变率增加。在相同的应变率,标本在矩形脉冲吸收更多的能量比下half-sine压力脉冲。似乎没有明显的差异度的数据分散。然而,数据加载矩形脉冲的峰值应力派生相对分散比half-sine应力波,half-sine现象,数据区域的应力波在区域范围内的矩形波加载。

实验结果的准确性密切相关的传输过程应力波在岩石SHPB试验。为了进一步说明half-sine应力波加载的合理性,下面的长方形的纸的传播过程进行了数值模拟,三角形,half-sine压力波和调查的影响钢筋直径大小和波形弥散传播距离。

4所示。数值模拟

4.1。三维数值模型

结合实验的方法,在三种典型压力波形,长方形,三角形,和half-sine压力波,被选为加载波调查SHPB的波传播的数值方法。在[18),三个应力波的传播模拟弹性杆直径75毫米。然而,钢筋直径的尺寸效应对应力波的传播没有调查。(图三维模型10)相同的入射杆的长度2000毫米和4个直径大小使用ANSYS / LS-DYNA成立(19]。密度、弹性模量和泊松比入射杆的7795公斤/米³分别250 GPa, 0.285。

在这个模型中,三个应力波分别应用于弹性四种直径大小事件的酒吧(10,22岁,38岁和50毫米),研究了色散钢筋直径对一维应力波传播的影响。选择加载波形的时间都与峰值应力。也就是说,持续时间和波形的峰值应力设置为200μ分别和200 MPa。假设应力波形表面上是可以被替代的吧台上横截面,录音头寸位于弹性杆的纵向方向。酒吧的距离从加载端测量站是0,250,500,750,1000毫米。

4.2。波形振荡

在本节中,这三个上述压力波形传播在两个弹性棒直径为10和被选出的50 mm分析其振荡现象。矩形应力波在不同位置采集10到50毫米直径弹性酒吧见图11。10毫米直径压力波的酒吧,可以看出波形变得更加振荡与传播距离增加。显然,当应力波持续时间的一半,它返回到最初的波形,形成一个平台(图(11日))。波形相比Φ10 mm酒吧,50 mm直径的波振荡酒吧更严重,以及应力波的峰值没有明显的单调与传播距离(图的变化11 (b))。整个时间,传播波形基本上不再回到原来,已经大大改变了。因此,在这种情况下,压力波记录在钢筋表面不能代表实际的波,由于其传播后显著差异。

图12代表了三角形的两个早期提到的弹性应力波传播酒吧。它表明,三角波形两个酒吧可以维持一个三角形在他们的旅行过程中,和波形振荡非常少。然而,很明显,波形的峰值逐渐随传播距离的增加而减小。此外,波的下降趋势的峰值Φ50毫米的酒吧比这更可见Φ10 mm栏(见图中虚线箭头12)。通过比较数据的波形12(一个)和12 (b),我们可以推断,一维应力波理论能满足波传播过程中在一个小直径SHPB的酒吧,为波形振荡是不太严重的分析和错误是可忽略的。但随着钢筋直径的增加,波形振荡将会更加严重,这将导致一维应力波假说不满意。

同样,half-sine压力波形也选择做个比较,显示在图13。它可以发现是否传播Φ10或Φ50 mm酒吧、波形不受传播距离的影响,几乎没有波形振荡。图中标记的箭头,最初的峰值half-sine波不变随着加载时间的增加。后压力波形的比较在相同的传播距离的两个酒吧,可以看出波形基本保持相同的变化非常小,认为half-sine波的传播几乎不受钢筋直径的影响。

4.3。应力波的峰值衰减

波传播从振荡程度已经定性的角度分析了在上面的部分,而它没有定量比较。此后,峰值应力σ_马克斯和上升时间t_r应力波是用来做一个定量的比较。此外,峰值因子的概念和不断上升的时间因素给出了应力波,被定义为应力波的峰值比运行一段距离后的原始波形和的比值上升时间的应力波传播的初始波形。利用两个因素,不仅可以定量地比较了还传播波形之间的偏差大小和原始波形可以很容易地获得(19]。

矩形应力波的峰值因子与传播距离的变化在不同直径的酒吧了,所体现的人物14。显示的总趋势可以认为,随着传播距离的增加,峰值因子的增加趋势趋向于稳定。在这些峰值因素中,最小值是1.10,最大值是1.30。即峰值因子的最大增量为10%,最大增量达到30%。当加载的应力波传播的传播距离250 mm,应力波的峰值因素大大影响钢筋直径,虽然开始波动在1.20后超过250毫米在传播距离(图14 (b))。远距离传播之后,这表明矩形应力波的峰值因子即将稳定,峰值应力的增加是保持在大约20%。

旅行的三角形应力波在不同直径的酒吧也调查的峰值因子,所描绘的人物15。可以看出,对于所有直径,三角形的峰值因素逐渐随传播距离的增加,而且没有振荡波动现象。10毫米弹性波传播的酒吧,1000毫米的距离后,峰值因子下降到0.98,即峰值只是适当地减少了2%。当传播距离小,三角形应力波的峰值因子随钢筋直径的增加而减小。下降趋势越来越明显的随着传播距离的增加。

图16情节的变化的峰值因子half-sine应力波传播距离。钢筋直径,half-sine应力波的峰值因子不显著改变与传播距离和杆直径几乎不会受到影响的传播距离。half-sine应力波的峰值因子维持在1.00。相对于矩形和三角形应力波,可以认为half-sine应力波的峰值因子是可以忽略的影响传播距离以及钢筋直径。

4.4。波形的上升时间的增加趋势

曲线在图17表明,所有直径的事件结束的酒吧、矩形波的上升时间是在一系列4∼8μ年代。矩形波的传播,在每个钢筋直径上升上升时间。在1000毫米的距离,Φ10上升时间是16毫米酒吧μ年代,在50 mm直径栏大约是30μ年代。这么短的上升时间是不适合岩石测试的影响。此外,在类似的情况下传播距离在不同的酒吧、上升时间与钢筋直径增加,这表明,钢筋直径有很大的影响在矩形波形的上升时间。

三角波的上升时间因素不同的传播距离和钢筋直径也分析,显示在图18。时间因素上升为每个酒吧传播距离的增加而增加。但在这些变化中,其最大增量仅为4%。小直径弹性杆,上升时间因素的增加小于在大直径栏的三角波的传播,基本上可以认为是没有上升的时间会发生变化。此外,经过短暂的传播距离,时间因素上升为每个栏可以被视为没有改变(图18 (b))。只有传播距离的增加,上升时间将会增加,他们的分歧逐渐变得更加明显。

half-sine应力波的上升时间因素分析了从两个有影响力的元素:传播距离和钢筋直径图所示19。与三角波的变化相比,增量的上升时间因素half-sine应力波小于三角波。half-sine应力波的上升时间因素将会慢慢随着传播距离增加而增加,而最大增长仅为2%,这只发生在酒吧里与他们的直径大于38毫米。酒吧的一个较小的直径(Φ< 38毫米),的上升时间half-sine应力波传播距离不受影响。

5。讨论

自弹性波可以被看作是由不同频率的谐波分量叠加组合,不同的组件将根据各自的相速度和原始应力波形将逐渐分散在传播过程中,传播波形代表分散。

波形色散主要包括以下四个方面:(i)传播过程中压力波形震荡。每个谐波的相速度取决于钢筋直径比波长。钢筋直径增加或减少波长条件下,波形振荡变得更严重随着传播距离的增加(20.];(2)由于横向惯性效应,应力波的上升趋势会越来越轻松,随着传播距离的增加导致上升的时间逐渐增加;(3)应力波的峰值会减少与传播距离增加,因为横向惯性效应。因此,波形将非常不同于原来的经过长时间的传播距离;(iv)波传播的SHPB试验是基于假设应力弹性杆的横截面均匀分布和一维应力波传播是满意。然而,横向惯性效应将导致应力不均匀分布在弹性杆横截面。

波色散实际上发生在纵向(酒吧的沿着轴向方向)和横向方向(沿径向方向的横截面积)。但是,由于波形弥散在纵向方向上更加直观和容易衡量,大多数以前的研究都集中在如何消除纵向波形弥散。几人注意横向波形弥散的消除,因为有限的分析方法。因此,数值模拟是一种可行的技术分析波形弥散。与此同时,它是一个可行的方法使用三维数值模型来模拟和分析的理想波形没有分散在岩石使用大直径SHPB冲击试验装置。

6。结论

系统地探讨合理的加载波形与大直径岩石SHPB试验,实验室测试和数值模拟进行。主要结论如下:(1)动态测试下红砂岩的矩形和half-sine压力波进行了使用一个Ø50毫米SHPB装置。在矩形波载荷的情况下,信号通过SHPB试验系统已经扭曲的实际力量作用于岩石标本由于不可避免的波形弥散,使实验结果不准确。然而,波形弥散的旅行过程中不会发生half-sine应力波,和测试信号可以表示实际的力的标本。结果相对准确。(2)红色砂岩的比较测试执行在这个研究表明half-sine应力波具有良好的优越性在确保压力平衡的标本和应力-应变曲线平滑。结果才能真正解释测试岩石材料的动态力学响应。(3)为矩形、三角形和half-sine加载波,钢筋直径大小的影响和传播距离波色散被数值模拟研究。结果表明,与其他两个加载波相比,half-sine应力波小影响钢筋直径和传播距离SHPB试验期间,这是合理的加载波形的SHPB试验岩石材料。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本文是由中国国家自然科学基金资助(批准号41472269),国家重点实验室的研究项目煤炭资源安全开采,CUMT (13 kf06)和基础研究基金为中央大学中南大学(2018 zzts735)。