冲击载荷作用下应变率对砂岩力学性能的影响

冲击载荷作用下应变率对砂岩力学性能的影响

张雨波;茅献彪;陶静;李明

【摘要】借助于ANSYA/LS-DYNA数值分析软件对SHPB试验进行数值模拟，就不同应变率对砂岩力学性能的影响进行了研究，探讨了不同应变率对砂岩峰值应力、弹性模量、软化模量的影响规律，系统地分析了砂岩在不同应变率作用下的破坏规律。结果表明：随着应变率的增加，峰值应力显著增加，表现出较强的应变率相关性；应变率增大，弹性模量随之增大，但增长速率逐渐减小；应变率越大，软化模量反而降低。应变率·ε从632.4 s-1变化到752.5 s-1时，软化模量由-2.98降到-4.18，降低了28.71豫；当应变率·ε大于752.5 s-1为1757.9时，软化模量仅降低了5豫，说明应变率较大时变化趋势较为缓慢。高应变率下砂岩试件的动态压缩破坏主要呈现为轴向劈裂破坏。%Conducting a numerical simulation of the SHPB experimental data through ANSYA/LS-DYNA,the present paper studies the impact of different strain rates on the mechanical property of sandstone and investigates the effect law of different strain rates on the peak stress,elastic modulus and softening modulus of sandstone,offering a systematic analysis of the damage law of sandstone under different strain rates. The findings reveal that the peak stress shows a notable increase as the strain rate increases and that the two exhibit a strong correlation. Experimental data shows that the elastic modulus will increase as the strain rate increases,but the rate of increase will decrease gradually. When the strain rate increases,the softening modulus will actually decrease. Experimental data also shows that when the strain rate ·ε varies from 632. 4 s-1 to 752. 5 s-1 ,the softening modulus will decrease

from -2. 98 to-4. 18,showing a 28. 71% decrease while the softening modulus only shows a 5% decrease when the value of strain rate ·ε is greater than 752. 5 s-1 at 1757. 9,which indicates that when the strain rate is comparatively greater,the var-iation trend will become relatively gentle. The experiment also finds that the dynamic compression fracture of the sample sandstone under high strain rate demonstrates the fashion of an axial splitting fracture.

【期刊名称】《爆破》

【年(卷),期】2014(000)003

【总页数】6页(P42-46,90)

【关键词】高应变率;砂岩;SHPB;力学性质

【作者】张雨波;茅献彪;陶静;李明

【作者单位】中国矿业大学力学与建筑工程学院，徐州221116;中国矿业大学力学与建筑工程学院，徐州221116; 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，徐州221116;中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，徐州221116;中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，徐州221116

【正文语种】中文

【中图分类】TD235.1

矿山运输、隧道开挖、石油钻井工程以及爆破工程都涉及到冲击载荷作用下岩石的力学特性方面的研究。地震、滑坡、岩爆等自然灾害几乎全都涉及冲击荷载作用下

的岩石动态力学性能以及其动态损伤问题的研究［1－5］。汪亦显等利用分离式

霍普金森压杆(SHPB)试验，得出了脆性材料的动态损伤断裂演化规律［6］;王俊

奇采用落锤加载岩石实验系统［3］，不断改变落锤质量，调节下落距离和垫板材质，得出不同岩石试件的力学特性;洪亮利用SHPB试验系统分析了花岗岩、砂岩

及石灰岩的冲击动力学性能、破裂状态及其能量损耗等的尺寸效应，得出试件尺寸大小不同，岩石动态强度对应变率依赖的灵敏性不同［7］。

在岩石力学领域中，岩石在静载荷条件下的特性研究相对较多，而岩石在冲击荷载作用下的动态特性研究相对不足［8－12］。基于ANSYS/LS－DYNA软件对SHPB试验进行数值模拟，研究了在冲击载荷作用下，不同应变率对砂岩峰值应力、弹性模量、软化模量方面的影响，系统地分析了砂岩在不同应变率作用下的破坏规律。

1.1 数值计算模型

为研究应变速率对砂岩力学性能的影响，试验采用霍普金森压杆装置即SHPB试

验系统。其整个压杆分为撞击杆、输入杆、输出杆和吸收杆四个部分。如图1所示，试件置于输入杆和输出杆之间。随着入射波通过试件，输入杆和输出杆可以方便的记录加载脉冲的应力－时间曲线、应变－时间曲线和应变率－时间曲线等动态试验曲线，进而研究试件的力学性能。

根据实际SHPB试验系统，建立了有限元数值模型如图2所示。

数值模拟系统中，子弹、入射杆、砂岩试样、透射杆均为φ 50 mm圆柱体，长度分别为600 mm、1800 mm、25 mm、1200 mm，并选择Solid164作为各部

分的单元类型，为了保证各部分网格划分的几何模型采用Hpermesh映射方法进

行网格划分，然后导入ANSYS/LS－DYNA进行数值计算［13－17］。子弹、入射杆和透射杆在截面周边划分160格，轴向大小0.5 mm，砂岩试样在截面划分

40格，轴向大小10 mm。