文摘

研究高温下岩石动态力学性能是安全、高效的基础实现深部煤炭开采和地下煤气化工程。摘要分离式霍普金森杆(SHPB)实时高温函数采用系统研究砂岩的动态力学性能。研究表明,固定条件下的温度,随着应变率的增加,砂岩的动态抗压强度和动态应变峰值逐渐增加,和动态弹性模量与应变率的变化是不明显的。随着温度的增加,砂岩的动态抗压强度先增加,然后下降,动态峰值应变逐渐增加,整体和动态弹性模量下降。宏观破坏模式的变化规律和能量耗散密度与温度显示,和变化的机制是解释的影响考虑高温砂岩的内部结构。基于组件的组合原则和微量元素力量的理论分布,建立了动态统计损伤本构模型,其参数有一定的物理意义。与实验结果相比,建立的模型可以描述动态实时高温下砂岩的应力-应变关系。

1。介绍

岩石动态力学问题受到高温环境普遍存在在矿山岩土工程。在煤炭地下气化工程,当地煤炭地下气化炉的温度燃烧区域超过1000°C (1),而将会有重大的影响加载产生的屋顶倒塌。因此,气化炉的围岩的稳定性有显著的潜在危险在高温的耦合效应和动态负载。此外,核废料存储库(2)和深煤矿(3,4)上面都面临的环境问题。因此,研究岩石的动态力学性能受到高温环境具有重要意义发展上述矿山岩土工程。

岩石在高温情况下的动态力学性能引起了学者们的普遍关注。然而,由于试验条件的限制,大多数学者采用了测试方法,样本加热SHPB试验的实现之前,早期的研究(5,6]。宏观上,温度固定时,岩石的动态峰值应变和强度随应变速率的增加而增加,这是基本上类似于岩石的动态响应特性在室温下(7]。相比之下,固定应变速率条件下,随着温度的增加,岩石的动态抗压强度约首先增加,然后降低。值得注意的是,在拐点温度的力学特性有差异不同岩石类型(8]。宏观力学特性的变化密切相关,岩石物理性质的变化。研究表明,温度起着重要作用在岩石物理性质,如减少密度(9,10),增加孔隙度(11- - - - - -13),并减少纵波速度(14,15),这是一个基本的力学特性变化的原因(6,16]。此外,岩石的物质组成和微观结构特征系统地研究了热处理后显微组织的观察方法,如x射线衍射(17)和SEM扫描(18,19]。岩石动态力学性能的变化机制热处理后澄清(20.]。随着调查的深入,学者们发现,岩石动态力学性能的研究成果后热处理不能充分考虑工程问题,如岩体结构在高温环境下的稳定性。有必要试验实时高温和冲击荷载作用下岩石材料。在早期研究岩石的动态力学性能实时高温下,样品在加热炉加热到指定温度,然后迅速转移到SHPB动态测试系统。通过使用这种方法,陈等人采取了专门制造微波加热自动time-controlled SHPB装置系统地研究动态属性的普通混凝土在高温从20°C到950°C。测试结果表明,普通混凝土的动态强度和应力-应变曲线在高温下仍然经历了显著的应变率效应。与此同时,失败的表象普通混凝土受到高温和高应变率加载明显不同于混凝土在环境温度21]。刘、徐进行了动态压缩实验与改进的SHPB试验系统管式加热炉,并有温度补偿约2分钟,以弥补热量损失。测试结果表明,应变率影响的温度动态抗压强度和峰值应变大多数是800°C和1000°C,分别。的温度应变率影响的动态抗压强度和峰值应变最低1000°C和室温,分别为(22]。黄等人加热样品温度的值,它被认为是高温转移过程中热损失。动态测试结果指出,混凝土应变率阈值。如果应变速率小于阈值,温度软化效应。相反,如果应变速率大于阈值时,有一个温度硬化效应(23]。然而,heating-transferring方法有隐患的安全研究人员,和温度变化引起的热损失在样品无法控制的转移。

岩石破裂的本质是能量吸收和释放的宏观性能在加载过程中(24]。因此,它是重要的来揭示高温岩石的动态故障特征基于能量耗散特性。他为十五等人进行了单轴压缩试验不同的岩石,和耗散能量的演化特征十五岩石进行了研究。此外,介绍了能量耗散系数研究演化特征和确定岩石的强度。结果表明,能量耗散系数的演变表现出显著的变形岩石的性质。他们线性增加压实强度和减少与屈服强度和峰值强度(25]。张等人系统地研究了热损伤和能量演化特征过程中影响高温后砂岩的失败处理和指出,损伤应变能释放率的阈值砂岩样品200°C和800°C (26]。阴et al。27)进行了单轴动态压缩试验煤的岩石在高温下,精力和时间之间的关系在不同温度条件下得到,和能量的变化规律和失效模式的煤和岩石的温度变形和破坏的过程进行了总结。李等人研究了升温速率对煤测量岩石的动态力学性能热处理后指出,压裂过程中的能量耗散是密切相关的断裂特征28]。王等人对花岗岩进行了静态和动态压缩测试热处理后,定义能量耗散率的变化,可用于确定岩石的变形阶段和确定故障点位置的应力-应变曲线(29日]。舒等人研究了热影响岩石能量耗散在动态循环加载和能量耗散之间的相关性分析,能量耗散率,影响时间,每卷被吸收的能量积累,失效模式,和温度30.]。

除了能量耗散特性的研究,建立本构模型以反映岩石动态力学性能是当前的研究重点之一。一些学者采用损伤统计数学理论建立力学模型具有一定程度的通用性,可以更好地描述动态损伤特征和岩石在不同条件下的应力-应变关系。马等人建立了一个冻结的本构砂土动态模型,描述了动态力学行为的冻结砂土围压条件下,应变速率和冻结温度(31日]。王等人提出了一个花岗岩在高温下的统计损伤本构模型,并讨论了影响因素模型拟合的参数值(32]。王等人的岩石损伤变量定义连续因素,应变等效原理,统计损伤理论。他们还建立了一个频繁的干扰下的岩石损伤本构模型在卸货的过程中静态压力高(33]。刘等人提出了一个实验性的方法获得煤在煤岩的应力和应变结合煤炭样本,建立了两种损伤本构模型,可以准确地描述煤在煤岩样品的应力-应变曲线,反映了岩石的影响,煤岩组合形式,煤岩高度比(34]。此外,一些学者[35)分类的耦合损伤meso-damage wet-dry周期和macrodamage引起的冲击载荷引起的,和加载速率效应被认为是负载损伤。除此之外,他们的结论是基于Lemaitre耦合损伤的本构模型的应变等效假设。

目前,大多数研究成果关注动态力学性能和高温后岩石的破坏机制。很少有研究动态力学性能和实时高温下岩石的本构模型。摘要分离式霍普金森压杆试验系统的实时高温函数(HT-SHPB)将采用砂岩在不同温度下进行冲击荷载测试(25°C - 800°C)。砂岩力学性能的响应特征研究在高温、高应变率加载。通过分析能量耗散法失败过程中砂岩,砂岩的破坏机理将会显示在高温和高应变率。此外,高温岩石动态本构模型将基于统计损伤理论的构建。研究结果旨在促进矿井高温环境下岩土工程的发展。

2。实验装置和方法

2.1。样品制备

样本制成圆筒直径50毫米和50毫米的高度。同时,根据国际岩石力学学会建议的标准(ISRM) [36),样本地确保并行性(≤0.02毫米)和平坦(≤0.05毫米)。物理力学测试是进行标准样品(气缸直径50毫米和100毫米高度)在室温(25°C)。标准样品的基本物理力学参数如表所示1。

2.2。实验设备

动态压缩载荷试验进行实时高温分离式霍普金森测试系统(HT-SHPB),主要由温度控制系统、杆系统,启动系统,数据采集和分析系统,如图1。吧台系统主要由一个前锋,一个事件酒吧,酒吧,传输和能量吸收装置。酒吧组成的高强度钢低碳,弹性模量是210 GPa,纵波速度是5450米/秒。此外,前锋是圆柱体的形状,长度是500毫米,前锋是由加压氮气。

发射控制系统主要由气瓶和控制台。数据采集和分析系统主要包括速度测试装置和ultradynamic应变测试装置。

加热装置的管式加热炉温度控制系统,它是由刚玉管和耐热钢。加热炉的保温层包含一个硅酸铝纤维毯与优良的保温性能。此外,加热炉的温度测量元件是一个k热电偶,和它的加热元件是一个u型硅碳棒。除此之外,最大的加热炉的设计温度为1000°C,和温度控制精度为±1°C,温度控制器调整。此外,酒吧暴露在高温环境中只有几秒钟测试,即使在800°C高温实验,温度在年底栏仍低,温度对应力波传播的影响在酒吧可以忽略(17]。

HT-SHPB系统的工作原理。首先,样品管式加热炉中加热到指定温度,温度保持不变。然后,事件和传播栏是由机械爪与气缸控制台控制,和自动校准和重置的事件和传播酒吧。最后,进行实验的影响。事件的应变信号和传播酒吧被传输到ultradynamic应变通过应变仪测试装置。与此同时,获得的速度是影响速度测试装置。在整个测试过程中,样品都是在管式加热炉的内心,和岩石冲击荷载测试实时高温环境下实现。

2.3。测试流程和测试波形

在该测试中,砂岩在不同温度下的力学响应和冲击强度是实现通过改变加热温度和压力的影响。基于背景和测试条件,测试温度梯度设置为25°C, 100°C, 200°C, 400°C, 600°C, 800°C。测试影响压力设置为0.3 MPa, 0.4 MPa, 0.5 MPa, 0.6 MPa,和0.7 MPa,其中0.3 MPa的最低压力,样本可能被摧毁。在0.7 MPa,示例将粉后的影响。

整个测试过程如下。首先,这名前锋是手动复位,而传播和酒吧事件是自动重置,由控制台。随后,样本被放置在内部的管式加热炉和位置调整。然后,关闭加热炉和夹是锁着的。样本被5°C /分钟,加热和温度保持不变时6小时达到指定的温度保证均匀加热。最后,事件栏和传播栏由对齐控制台,样本夹在加热炉,和设计进行了冲击试验。测试后,原始波形是由三波处理方法。

确保压力平衡在SHPB试验的加载过程,铜块直径5毫米,厚度1毫米在加载端入射杆的脉冲形成器。波形如图2。如图2入射波,没有展示任何突出的横向振动波传播期间,表明测试与一维波传播。入射波的上升边缓慢,入射波和反射波的总和约等于透射波,和压力平衡的样品。

3所示。实时高温下砂岩的动态响应特性

3.1。应力-应变曲线

图3演示了砂岩的应力-应变曲线在各种条件下的应力-应变曲线在相同温度、不同应变率见图3(一个);应力-应变曲线在相同的应变率和不同温度下见图3 (b);典型的应力-应变曲线见图3 (c)。

见数据3(一个)和3 (b)在同一温度、应力-应变曲线的形状在不同应变率是相似的。在相同的应变率,在应力-应变曲线的形状有明显的差异在不同的温度下。它可以发现温度对应力-应变曲线的形状的影响大于应变率的测试。在图3 (c)砂岩样品在不同条件下的应力-应变曲线可分为弹性变形阶段,非弹性变形范围和破坏阶段。在图3 (c),法律的应力-应变曲线形状随温度变化可以获得在高和低应变率。当温度从25增加到600°C的比例压缩应力-应变曲线中发生了微妙的变化。当温度达到800°C,弹性阶段的比例迅速下降,塑性增加,表明砂岩样品的弹性变形行为是最受冲击荷载的影响在800°C。

3.2。变化规律砂岩动态抗压强度随温度和应变率

动态峰值强度 ,动态应变峰值 ,和动态弹性模量得到了在不同条件下的应力-应变曲线,如表所示2。

图4揭示了动态峰值强度的变化规律与应变率和温度 。在图4(一),因为增加,逐渐增加。作为增加,倾向于先上升,然后逐渐下降。为了更生动的展示效果和动态峰值强度变化曲线单变量得到的数据4 (b)和4 (d)。讨论温度对每个动态机械指数的影响在一个固定的应变率,每个机械指数和应变速率之间的拟合方程计算得到的。根据拟合方程,得到了每个机械指数的拟合值在一个特定的应变率。在这篇文章中,砂岩的应变率样本集中在60年代¹和240年代¹。因此,机械的拟合值5岁以下索引计算应变率的90年代¹120年代,¹150年代,¹180年代,¹210年代,¹研究温度的影响,如图4 (d)。

图4 (b)表示,线性增加在不同的 ,表现出明显的应变率效应。相比之下, ,拟合曲线的斜率值,应变速率敏感性的变化规律温度可以定量分析。如图4 (c)在25°C,是0.158,随着温度的增加,从100年到800°C,0.216、0.184、0.219、0.276和0.252,分别。与室温相比,偏差范围达到36.70%,16.45%,38.60%,74.68%,59.49%。当温度达到600°C,达到了最大值为0.276。

如图4 (d),当 , 在很大程度上是不变。当 , 随温度增加。当 , 随着温度的增加减少。定量,150年代的曲线¹作为一个例子,的值在不同气温78.22 MPa, 78.98 MPa, 93.91 MPa, 106.54 MPa, 88.71 MPa,分别和69.91 MPa。与室温相比,变化的范围达到0.97%,19.87%,36.00%,13.24%,-10.76%。当 , 大于,在室温下,表明温度有加强作用 ,效果是最重要的在400°C。的在800°C小于室温,表明有削弱作用。

3.3。变化规律砂岩动态峰值应变随温度和应变率

图5揭示了动态应变峰值的变化规律与应变率和温度 。如图5,因为和增加,逐渐增加。更生动地展示的效果和在 ,的变化曲线单变量得到的数据5 (b)和5 (d)(类似于动态抗压强度、动态应变峰值在特定应变率被拟合计算)。

图5 (b)表示,线性增加在不同的 ,这表现出明显的应变率效应。相比 ,拟合曲线的斜率值的变化规律染色率的敏感性温度可以定量分析。如图5 (c)随着温度的增加,首先增加然后减少,最后再次增加。在25°C,是0.0191。随着温度的增加,从100年到800°C的值分别为0.0234、0.0176、0.0118、0.0276和0.0340,分别。与室温相比,变化的范围达到22.51%,-7.85%,-38.22%,44.50%,77.49%。当温度达到800°C,0.0340达到最大。

如图5 (d),在不同的 ,的逐渐增加的增加 。当从25°C到100°C,增加显著增加;当继续上升至600°C,略有增加,这表明几乎没有影响在这个阶段。作为玫瑰从600°C到800°C,迅速增加。定量,150年代的曲线¹是为研究对象,在不同的温度是0.00673,0.00860,0.00984,0.01097,0.01227,和0.01603,分别。与室温相比,变化的范围达到27.79%,46.21%,63.00%,82.32%,138.18%。当 , 大于,在室温下,表明温度有加强作用 ,效果是最重要的在800°C。

3.4。变化规律砂岩动态弹性模量随温度和应变率

图6揭示了动态弹性模量的变化规律与应变率和温度 。在图6(一),动态弹性模量波动下应变速率和温度的影响。图6 (b)显示的变化规律与 。 很大差异,不同温度下,没有发生明显的线性特征。因此,很难获得在一个特定应变率的线性拟合。在25°C, 200°C,和400°C增加,倾向于增加;在100°C,显示一个v型的趋势增加 ;在600°C,先下降,然后上升,最后再次下降的增加 ;在800°C, - - - - - - 大约倒v型曲线。

的变化趋势砂岩的温度可能是基于相对位置的初步分析 - - - - - - 不同温度图之间的曲线6 (b)。作为增加,逐渐减少。具体地说,当从25°C到100°C,增加显著降低。没有明显的变化在100°C和400°C之间。当继续上升至600°C,略有下降。在800°C,它显著下降。

4所示。动态宏观破坏特征和能量耗散机制实时高温下的砂岩

输入能量发挥了重要作用,宏观失败和能量耗散的特征。因此,加载速度作为砂岩的冲击荷载变量来分析故障特征和能量耗散特性在失败过程中在这一节中。

4.1。在不同条件下砂岩的宏观破坏特征

失效模式的砂岩在不同温度和加载速度,如表所示3。为了定量描述宏观破坏特征,分形维数作为一个分析参数(37]。

岩石的分形维数可以表示成碎片(38]: 在哪里后样品的分形维数的影响,线性拟合曲线的斜率在对数坐标系统 , 是累积质量小于部分大小的碎片 , 是原样品的质量,粒子的大小。

标准筛子洞大小的4、6 8.5,11日13日和15毫米被采用,和片断的样本已筛分成六个等级。然后,每个年级的碎片的质量是通过高精度电子天平,砂岩样品的分形维数计算后在不同条件下的影响。图7揭示了分形维数的变化与温度和加载速度。如图7(一),分形维数与温度更高的加载速度略有改变。在一个小加载速度下,分形维数与温度波动。的变化曲线单变量得到的数据7 (b)和7 (c)。如图7 (b)分形维数增加,加载速度在同一温度的增加,相应的表3样品的损伤程度增加,增加的加载速度。

(一) ,分形维数随温度的变化比,当小 。这可能是因为效果的影响主要以更高的加载速度,和温度相对较小的影响砂岩样品的破裂过程。对应表3,当 ,除了1 - 3大片段在400°C和600°C,样品的损伤程度与温度的增加并没有改变多少

(b)当 ,分形维数随温度的变化趋势相似在不同加载速度。当温度从25°C到200°C,增加的分形维数变化不大。当温度继续上升到400°C,分形维数明显减少。对应表3,当 ,砂岩样品的整体损伤程度几乎没有变化。当达到400°C,片段大小显著增加,可能是由于关闭一些原始微裂隙和微孔在温度影响下的砂岩39]。

4.2。砂岩破坏过程的能量耗散特征

基于一维应力波理论,入射能量的反射能量,传播能量在SHPB试验是由(40]: 在哪里 , ,和表示入射能量、反射能量和传输能量,分别;和表示杆的横截面面积;表示酒吧的波速;表示酒吧和下标的弹性模量 , ,和这一事件,反射和透射波。

样品表面,接触事件栏和传播酒吧,被涂上一层凡士林润滑和滑石粉。因此,样本之间的摩擦能量损失的期间和结束酒吧影响可以忽略。根据公式(3),(4)和(5),耗散能量, ,可以表示为

的能量导致岩石碎片占大约95%的耗散能量(41]。它可以近似作为样本的耗散能量在冲击过程中碰撞能量被转化为:

消除尺寸效应的影响在能量耗散特性、能量耗散密度是介绍:

在哪里表示砂岩样品的体积表示能量耗散密度。

砂岩样品能量耗散的变化规律以加载速度和温度计算,如图8。在图8(一个),加载速度增加,温度降低,样品能量耗散密度逐渐增加。为了更生动地展示的效果和在 ,的变化曲线单变量得到的数据8 (b)和8 (c)。样品在图100°C8 (b)作为一个例子,随着加载速度的增加,逐渐增加。这主要是因为与加载速度的增加,起始、发展、微裂隙的渗透在样本期间更严重的影响过程。在这个过程中,样品需要吸收更多的能量,能量耗散密度相应增加(42]。

图8 (c)揭示了能量耗散密度的变化与温度 。在不同加载速度,能量耗散密度随温度的变化趋势是相同的,如下:(一)样品温度从25°C增加到400°C的加载速度、能量耗散密度逐渐降低。这是因为随着温度的增加,夸脱的扩张和其他矿物粒子在样本导致关闭部分裂缝和孔隙(43]。同时,颗粒间的水泥样品的热融化,颗粒之间的摩擦力增加(39),和接触状态是改进。由于减少缺陷,如裂缝和孔隙和颗粒之间的接触状态的改善,裂纹和裂纹扩展过程的数量是有限的,和能量耗散的影响下裂纹萌生和传播是减少27](b)砂岩在600°C时,能量耗散密度略有增加,相比之下,在400°C。当温度继续上升,热融化效应仍然存在,而矿物粒子在高温的影响继续扩大。由于不同的膨胀系数,生成结构热应力在砂岩(44]。因此,内部微裂隙数量的增加,初始裂纹扩展和连接(45]。损害加重,影响过程中耗散的能量也增加(c)当样品温度达到800°C,砂岩的能量耗散密度降低。原因是一些矿物颗粒和砂岩胶结物在高温下分解(46,47]。样品的结构变得松散严重,使得波阻抗率降低。当入射能量被传送到标本和弹性杆之间的界面波的形式,大部分的能量被反射回事件酒吧,和样品的耗散能量降低

4.3。分形维数的变化规律与能量耗散密度

为了进一步阐明宏观之间的关系失败的砂岩和能量耗散高温冲击荷载的共同作用下,分形维数之间的关系砂岩失败后的碎片和能量耗散密度成立,如图9。的分形维数与能量耗散密度近似线性增加。这是由于岩石的失败是由于宏观裂缝的发展从microdamage砂岩的内部结构。岩石吸收更多的能量,足够的裂纹扩展,骨折的程度越高,分形维数的值就越大(48]。当 ,能量密度集中在0.2 J·厘米之间³和1.2 J·厘米³,分形维数在2.4和2.7之间。当 ,能量耗散密度集中在0.2 J·厘米之间³和0.6 J·厘米³,分形维数在2.1和2.7之间。可以看出随着温度的增加,分形维数增加,张成的空间和能量耗散张成的空间密度下降。随着温度的增加,斜率值拟合曲线增加。它表明单位吸收能量的情况下,试样的温度越高,分形维数变化越大,样品的损伤程度改变更强烈。

5。砂岩的动态机械损伤本构模型在高温的环境中

5.1。建立砂岩的本构模型

摘要组件组合方法应用于建立动态实时高温下岩石损伤本构模型。首先,模型可以总结在常规条件下静态力学性能和动态损伤力学性能在高温下。第二,静态力学性能存在,只有刚性特征存在损伤,而粘性特征不存在损害。最后,热力效应和动态效应耦合形成身体的损害。基于这个想法,砂岩的动态损伤本构模型建立了实时高温下,如图10。它是由两个串联开尔文体。一个由一个线性弹簧代表内在的静态弹性特征(图10(一))和一个静态粘性体代表内在的粘性特征(图10并行(b))。其他开尔文体由一个损害身体(图10(c))与动态粘性体(图10(d))考虑温度效应和砂岩的破坏特征49]。

四个假设给出了确定模型的本构方程:(一)微量元素的大小的身体是大到足以包含许多缺陷,这是足够小,可以被视为一个粒子的连续损伤力学(b)岩石是连续的,其损失是统一的(c)在影响[应变率保持不变50](d)microunits跟着威布尔分布的强度(51,52]

提出的基于应变等效假设Lemaitre [53),有效应力之间的关系的损害身体和名义应力如下: 在哪里表示有效应力,表示名义应力,损伤变量,定义如下54]: 在哪里表示microunits失败在一个外部负载,表示microunits的总数描述了损伤程度的样本,从0到1。 表示样品的完好状态 表示受损状态(54]。

结合胡克定律,损害身体的应力-应变关系可以得到如下: 在哪里表示损害身体的弹性模量,₂₁和₂₁表示的应力和应变损伤身体,分别。从方程(11),应力-应变关系可以表示为

开尔文体由粘性体和并行伤害身体。基于并行规则(50第二,开尔文体的应力-应变关系可以获得如下:

同样,开尔文体的应力-应变关系我可以表示如下: 在哪里₁和₁我表示开尔文体的应力、应变;₁₁和₁₁表示的应力和应变线性弹簧,和表示弹性系数;₁₂和₁₂表示静态的粘性体的应力、应变,和表示粘度系数。

常微分方程的总压力和总应变的本构模型可以通过联立方程(13)和(14):

基于假设(c), ,的导数 ,是零:

在拉普拉斯变换和拉普拉斯逆变换方程(16),

基于假设(c):

砂岩的基本动态本构方程得到方程(18)方程(17),如下:

5.2。本构模型

基于假设(d), microunits服从威布尔分布的强度,它有一个概率密度函数如下(35]: 在哪里表示microunit强度和是它的平均值,然后呢是形状参数。

基于应变强度理论(32),取而代之的是压力吗 。因此,方程(20.)可以写成 在哪里表示尺度参数表示样品的应变。

基于方程(10)和(21),可以表示为

根据上面的讨论,砂岩的内部结构在不同程度受温度影响,可表示为能量耗散密度随温度的变化宏观上。因此,能量耗散密度被选为一个索引描述温度对力学性能的影响砂岩(其中,砂岩的内部结构是完全松散在800°C,和它的能量耗散密度没有参考价值。因此,本文只计算了温度影响系数在600°C和下面),如下: 在哪里表示温度影响系数,表示的平均能量耗散密度砂岩样品在25°C,和表示平均能量耗散密度在每一个温度(100°C, 200°C, 400°C,和600°C)。

用温度影响系数和损伤变量在方程(23),应力-应变关系的损害身体考虑温度效应后得到如下:

相应地,砂岩的动态机械损伤本构方程可以表示为在高温环境中

5.3。本构模型的验证

本文建立的本构模型包含七个参数( , , , , , ,和 )。参数可以得到不同条件下拟合实验数据。它可以发现通过拟合是约等于动态弹性模量 。减少装配作业的数量和满足本构模型的物理意义,静态弹性模量砂岩的弹性系数 ,和动态弹性模量被作为参数 。Matlab拟合工具箱,采用非线性拟合方法来确定本构模型的参数。各种参数和相关系数的值如表所示4,安装和试验应力-应变曲线比较图11。图11和表4显示测试曲线与拟合曲线的协议和相关系数范围从0.959到0.994,这表明该模型适用于总结砂岩在高温环境下的动态力学本构关系。

6。结论

砂岩的动态力学性能,系统地研究了利用霍普金森压杆分离(HT-SHPB)测试系统实时高温功能。从宏观的故障特征,分形维数和能量耗散机制高温下的砂岩进行了讨论。砂岩的动态机械损伤本构模型在高温环境下成立。得到了以下结论:(1)在高温环境中砂岩的应力-应变曲线是主要由弹性变形阶段,非弹性变形阶段和破坏阶段。当温度范围从25°C到600°C,砂岩应力-应变曲线的形状变化不大。在600°C后,弹性变形阶段的比例逐渐下降随着温度的增加。相反,非弹性变形阶段的比例逐渐增加(2)条件下的固定温度,砂岩的动态抗压强度和动态峰值应变随应变速率的增加而线性增加。固定的应变率条件下,随着温度的增加,动态抗压强度先增加,然后下降,达到最大在400°C,和动态峰值应变逐渐增加。通过比较拟合曲线的斜坡的动态应力峰值应变和应变率峰值,动态抗压强度的应变率敏感性在25°C,最小的和最大的是在800°C。动态峰值应变率敏感性最低在400°C和最大在800°C。此外,动态弹性模量与应变率没有显著变化,倾向于减少整体与温度(3)温度对砂岩的内部结构的影响是一个关键因素,改变了宏观力学特性。矿物粒子扩张、结构热应力、不同温度下和热分解扮演了主要的角色。在宏观上表现为失败的变化特征和能量耗散密度与温度。之间存在着线性关系的分形维数和能量耗散密度。随着温度的增加,分形dimension-energy耗散密度拟合曲线的斜率逐渐增加(4)根据高温下砂岩的力学性能,提出了四个假设在砂岩影响失败。基于组件组合和强度分布理论的原理,介绍了能量耗散密度损伤变量,和动态机械损伤本构模型建立了高温下的砂岩。本构模型的参数在不同条件下安装。这是证明了拟合曲线是在良好的协议与实测曲线,可以很好地描述动态实时高温下砂岩的应力-应变关系

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(批准号52074240)和省的研究生研究和实践创新项目(SJCX21_0978)。