冲击载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究(精)
冲击荷载下岩石强度及破碎能耗特征的尺寸效应研究的开题报告
冲击荷载下岩石强度及破碎能耗特征的尺寸效应研究的开题报告一、研究背景及意义岩石是地质工程中最基础的构成材料之一，其强度和破碎特性是地质工程设计和施工的重要参数。
在工程实践中，岩石的强度和破碎特性受到多种因素的影响，其中最常见的因素是加载速率和加载方式。
在爆炸、地震、冲击载荷等复杂环境中，岩石受到的冲击荷载会远远超过静态载荷，导致其应力状态、强度及破碎特性发生显著变化，这对地质工程施工和安全性构成一定的威胁。
因此，对岩石在冲击荷载下的强度及破碎能耗特征进行研究，对地质工程领域具有极为重要的意义。
此外，岩石的尺寸对其强度及破碎特性也具有重要影响，而这种影响与材料的尺寸效应有关。
在工程实践中，通常使用标准试件进行强度和破碎实验，但实验结果与实际往往存在一定的差异，因此需要对试件尺寸效应进行深入研究。
同时，根据实验结果制定合理的尺寸因素修正方法，可以有效提高岩石强度和破碎特性的预测准确性，为地质工程设计和施工提供可靠的参考依据。
二、研究内容和方法本研究拟对岩石冲击荷载下的强度及破碎能耗特征，以及试件尺寸效应进行研究，具体内容和方法如下：1. 岩石冲击荷载下的强度及破碎能耗特征研究该部分主要研究冲击荷载对岩石强度和破碎特性的影响，并分析其机理。
实验方法将采用冲击试验和压缩试验相结合的方式，研究不同冲击载荷下岩石的强度和能耗特征。
2. 试件尺寸效应研究该部分主要通过试件尺寸变化对强度及破碎特性的影响进行研究，并考察其机理。
实验方法将采用不同尺寸试件进行压缩试验，并通过试件尺寸效应修正方法，对预测结果进行比较和分析。
三、研究预期成果本研究旨在探究岩石冲击荷载下的强度及破碎能耗特征，以及试件尺寸效应的影响规律和机理，预期取得以下成果：1. 分析不同冲击载荷下岩石的强度及破碎能耗特征，研究其变化规律和机理。
2. 探究试件尺寸对岩石强度及破碎特性的影响，制定合理的尺寸修正方法，提高预测准确性。
3. 对岩石冲击荷载下的强度及破碎能耗特征等方面的研究结果，为地质工程设计和施工提供可靠依据，为工程安全保障提供支撑。
《冲击荷载下岩石切削破碎能量耗散特征分析》范文
《冲击荷载下岩石切削破碎能量耗散特征分析》篇一一、引言在岩石工程中，冲击荷载下的岩石切削破碎是一个复杂的物理过程。
随着工程技术的发展，对于岩石的破碎效率和效果的要求不断提高。
而要研究并提升破碎效率，关键在于深入理解岩石在受到冲击荷载时能量耗散的特征。
本文以这一需求为出发点，对冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征进行详细分析。
二、冲击荷载下岩石切削破碎的基本原理在冲击荷载作用下，岩石的切削破碎过程主要涉及到冲击力、切削力和岩石内部的应力分布等多个方面。
其中，冲击力能够引发岩石的应力波传播，产生局部破碎；而切削力则直接影响到岩石的切削效果和破碎粒度。
这两种力的作用相互影响，共同决定了岩石的破碎效果。
三、能量耗散的特征分析（一）能量耗散的形式在冲击荷载下，岩石切削破碎过程中的能量耗散主要表现在以下几个方面：一是由于材料变形和破碎引起的能量转化；二是由于摩擦和接触损耗导致的能量损失；三是由于热能产生导致的能量损失。
这些形式的能量耗散都直接影响着破碎过程的效率和效果。
（二）能量耗散的分布特点在岩石切削破碎过程中，能量耗散的分布是不均匀的。
一般来说，冲击力作用区域和切削力作用区域的能量耗散较为集中，而其他区域的能量耗散则相对较小。
此外，随着破碎过程的进行，能量耗散的分布也会发生变化，这主要是由于岩石内部应力分布的变化所导致。
（三）能量耗散与破碎效果的关系能量耗散与破碎效果之间存在着密切的关系。
一般来说，能量耗散越大，岩石的破碎效果越好。
但是，过大的能量耗散也会导致设备能耗增加，降低工作效率。
因此，如何在保证破碎效果的同时降低能量耗散，是提高岩石切削破碎效率的关键。
四、实验研究与分析为了更好地研究冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征，我们进行了大量的实验研究。
通过实验数据的分析，我们发现：在不同类型的岩石中，能量耗散的分布和形式存在差异；在切削速度和切削深度不同的条件下，能量耗散的大小和分布也会发生变化；此外，切削工具的材质和形状也会对能量耗散产生影响。
《冲击荷载下岩石切削破碎能量耗散特征分析》
《冲击荷载下岩石切削破碎能量耗散特征分析》篇一一、引言在矿山开采、岩石工程以及地下工程等众多领域中，岩石的切削破碎是一项重要而复杂的工作。
尤其是在冲击荷载的作用下，岩石的破碎过程涉及到的力学特性和能量耗散机制成为研究的热点。
本文旨在分析冲击荷载下岩石切削破碎过程中的能量耗散特征，为相关工程提供理论依据和指导。
二、岩石切削破碎的基本原理岩石的切削破碎是指在一定外力作用下，岩石发生破裂、破碎的过程。
这个过程涉及到了多种物理、化学和力学作用。
冲击荷载作为其中的一种重要外力形式，对岩石的破碎效果和能量耗散有着显著的影响。
三、冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散过程在冲击荷载的作用下，岩石的切削破碎过程是一个复杂的能量转换和耗散过程。
这个过程包括冲击能量的输入、岩石内部结构的破坏、破碎产物的形成以及能量的释放和耗散等环节。
其中，能量的耗散主要发生在岩石内部结构的破坏和产物的形成过程中。
四、能量耗散的特征分析1. 能量输入与输出的关系：在冲击荷载下，输入的能量一部分被用来破坏岩石的内部结构，另一部分则转化为热能、声能等形式耗散。
这两部分能量的比例受到多种因素的影响，如岩石的物理性质、冲击速度等。
2. 能量耗散的阶段特征：在岩石切削破碎的过程中，能量耗散呈现出明显的阶段性特征。
初期阶段主要是岩石内部结构的微小破坏和能量吸收；随着冲击的继续，岩石内部结构发生大规模破坏，能量耗散速度加快；最后阶段则是破碎产物的形成和能量的最终释放。
3. 影响因素分析：岩石的物理性质（如硬度、脆性等）、冲击速度、温度等因素都会对能量耗散产生影响。
例如，硬度较高的岩石需要更多的能量才能发生破坏，而冲击速度的增加会加快能量耗散的速度。
五、实验研究与数据分析通过实验研究和数据分析，我们可以更深入地了解冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征。
实验中，我们可以采用高速摄像机记录破碎过程，同时通过传感器记录能量的输入和输出。
通过对实验数据进行分析，我们可以得出以下结论：1. 不同类型和性质的岩石在受到相同冲击荷载时，其能量耗散特征存在显著差异。
冲击作用下岩石裂纹长度预测模型及数值模拟研究_邓勇
·４２ ·
石 油 钻 探 技 术
２０１６ 年 ７ 月
规 律 与 特 点 进 行 了 研 究［４－９］，并 对 岩 石 在 冲 击 力 作 用 下 的 力 学 性 能 进 行 了 相 关 研 究［１０］，还 有 学 者 对 岩石破碎过程中破碎体的形成机制进行了模拟研 究 ，但 ［１１－１２］ 大 多 数 研 究 只 是 获 得 岩 石 动 态 破 碎 特 征 及 破 碎 机 理 的 一 些 定 性 结 论 ，而 对 岩 石 在 冲 击 力作用下的裂纹演化规律及裂纹长度定量分析模 型的研究相对较少。
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ＤＥＮＧ Ｙｏｎｇ１，２，ＣＨＥＮ Ｍｉａｎ１，２，ＪＩＮ Ｙａｎ１，２，ＬＵ Ｙｕｎｈｕ１，２，ＺＯＵ Ｄａｉｗｕ１，２
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ （Ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０２２４９， Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ（Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ （Ｂｅｉｊｉｎｇ）），Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０２２４９，Ｃｈｉｎａ）
（１．中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 １０２２４９；２．油气资源与探测国家重点实验室（中国石油大学（北京）），北京 １０２２４９）
强冲击荷载下岩石破坏三维数值模拟
强冲击荷载下岩石破坏三维数值模拟
张华;陈龙伟;李刚;汪旭光
【期刊名称】《工程爆破》
【年(卷),期】2010(016)002
【摘要】采用基于有限差分的拉格朗日、欧拉相结合的方法,对强荷载冲击下岩石材料破坏进行了数值模拟.在欧拉步中引入模糊方法处理界面,考虑了岩石材料、金属材料、空气的多物质场,给出了模拟结果和几个关键点的压力曲线.对强冲击荷载下岩石破坏研究具有重要的意义.
【总页数】5页(P1-5)
【作者】张华;陈龙伟;李刚;汪旭光
【作者单位】昆明理工大学国土资源工程学院,昆明,650093;昆明理工大学国土资源工程学院,昆明,650093;云南财经大学统计与数学学院,昆明,650221;昆明理工大学国土资源工程学院,昆明,650093;昆明理工大学国土资源工程学院,昆明,650093;北京矿冶研究总院,北京,100044
【正文语种】中文
【中图分类】O353.2;TD235.4+7
【相关文献】
1.冲击荷载下混凝土破坏过程的数值模拟 [J], 张德海;毛苏毅
2.冲击荷载作用下岩石的变形与破坏试验分析 [J], 郭连军;杨跃辉;华悦含
3.冲击荷载作用下灰砂岩破坏过程及损伤数值模拟研究 [J], 张明涛; 王伟; 张思怡;
刘亚男
4.强冲击荷载下岩石材料断裂及破碎机制研究 [J], 马运通
5.冲击荷载作用下岩石破坏机理预测 [J], 葛涛;王明洋;侯晓峰
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岩石破碎与破裂行为的数值模拟
岩石破碎与破裂行为的数值模拟随着科技的不断发展，数值模拟在各个领域都得到了广泛的应用。
在岩石力学领域，数值模拟可以帮助我们了解岩石的破碎与破裂行为，为工程设计和地质灾害预测提供依据。
岩石是由许多颗粒组成的，这些颗粒之间以不同的方式相互联系。
在外界的作用下，岩石可能会发生破碎和破裂。
为了研究这些现象，我们需要将岩石的物理特性和数学模型相结合，进行数值模拟。
首先，我们需要了解岩石的物理特性。
岩石具有各种力学参数，如抗拉强度、抗压强度、断裂模量等。
这些参数可以通过实验测量得到，然后输入到数值模拟程序中。
接下来，我们需要建立数值模拟的数学模型。
常用的数值模型包括有限元法、离散元法和连续介质力学模型等。
这些模型基于不同的假设和数学原理，可以用来描述岩石的破碎与破裂行为。
有限元法是最常用的数值模拟方法之一。
它将岩石划分为许多小的单元，并根据岩石的物理特性和边界条件，求解出每个单元的位移和应力分布。
通过对岩石内部各个位置的位移和应力进行计算和分析，可以得到岩石的破裂和破碎过程。
离散元法是另一种常用的数值模拟方法，它将岩石中的每个颗粒都看作一个独立的个体，通过计算颗粒之间的相互作用力，来模拟岩石的破裂和破碎行为。
与有限元法相比，离散元法更适用于描述岩体中存在大量颗粒的情况。
除了有限元法和离散元法，连续介质力学模型也被广泛应用于岩石破碎与破裂行为的数值模拟。
这种模型假设岩石是一个连续的介质，通过求解岩石的运动方程和应力平衡方程，得到岩石的变形和破碎情况。
通过数值模拟，我们可以观察到岩石的破裂和破碎行为，以及内部应力和位移的分布情况。
这些信息对于工程设计和地质灾害预测都非常重要。
例如，在隧道开挖工程中，我们可以通过数值模拟来评估岩石的稳定性，进而确定开挖的方法和参数。
在地震预测中，数值模拟可以帮助我们了解地震波在岩石中传播和扩散的过程，提供地震烈度和震源机制的预测。
当然，数值模拟也有一些局限性。
首先，数值模拟需要大量的计算资源和时间。
《2024年冲击荷载下岩石切削破碎能量耗散特征分析》范文
《冲击荷载下岩石切削破碎能量耗散特征分析》篇一一、引言在岩石工程中，冲击荷载下的岩石切削破碎是一个常见的现象，对于矿山开采、隧道掘进等工程具有极其重要的意义。
理解并分析这一过程中的能量耗散特征，不仅有助于优化岩石破碎工艺，还能为提高生产效率和降低成本提供科学依据。
本文将通过分析冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征，探讨其内在规律和影响因素。
二、冲击荷载下岩石切削破碎的基本原理在冲击荷载作用下，岩石切削破碎的过程涉及到多种物理机制。
首先，冲击力使岩石产生应力集中，当应力超过岩石的强度极限时，岩石发生破裂。
同时，切削工具与岩石的相互作用产生热能，影响岩石的破碎过程。
这一过程中，能量以多种形式耗散，包括塑性变形能、热能、振动能等。
三、能量耗散的特征分析（一）塑性变形能塑性变形能是冲击荷载下岩石切削破碎的主要能量耗散形式之一。
在切削过程中，岩石发生塑性变形，吸收大量能量。
塑性变形能的耗散与岩石的力学性质、切削工具的几何形状和切削速度等因素密切相关。
（二）热能切削过程中，由于摩擦和剪切作用，会产生大量的热能。
这些热能以热传导、热辐射等形式耗散。
热能对岩石的破碎效果和切削工具的磨损有重要影响。
（三）振动能在冲击荷载作用下，岩石破碎过程中会产生振动。
这种振动能量以声波或机械波的形式传播，并在一定程度上影响破碎效果和周围环境的稳定性。
四、影响因素分析（一）岩石性质不同种类的岩石具有不同的力学性质和破碎特性，因此其能量耗散特征也存在差异。
例如，硬岩和软岩在切削破碎过程中的能量耗散规律有明显区别。
（二）切削工具切削工具的几何形状、硬度、耐磨性等因素都会影响切削过程中的能量耗散。
合理的选择和使用切削工具能够有效地降低能量耗散，提高生产效率。
（三）切削速度和方式切削速度和方式对能量耗散具有显著影响。
较高的切削速度可能增加热能和振动能的耗散，而不同的切削方式（如单向切削、双向交叉切削等）也会影响能量的分布和耗散规律。
五、结论通过对冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征进行分析，可以得出以下结论：1. 塑性变形能、热能和振动能是冲击荷载下岩石切削破碎的主要能量耗散形式。
《冲击荷载下岩石切削破碎能量耗散特征分析》
《冲击荷载下岩石切削破碎能量耗散特征分析》篇一一、引言在岩石工程中，冲击荷载下的岩石切削破碎是一个复杂而又关键的过程。
了解并掌握这一过程中能量耗散的特征，对于提高岩石破碎效率、减少能源消耗具有重要意义。
本文将就冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征进行分析，以期为相关研究提供参考。
二、研究背景及意义随着工程建设的不断发展，岩石切削破碎技术已成为岩土工程、矿山工程、隧道工程等领域中不可或缺的一环。
在冲击荷载作用下，岩石切削破碎涉及到众多复杂因素，如切削工具的材质、形状、速度等，以及岩石的物理性质、结构特点等。
这些因素均会影响到切削过程中的能量耗散特征。
因此，对冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征进行分析，有助于优化切削工艺，提高破碎效率，降低能耗，具有十分重要的理论意义和实际应用价值。
三、能量耗散特征分析（一）理论分析在冲击荷载下，岩石切削破碎过程中的能量耗散主要包括切削力做功、热能产生、振动能量损失等部分。
其中，切削力做功是主要的能量耗散形式，它与切削工具的材质、形状、速度等密切相关；热能产生主要由摩擦和塑性变形引起；振动能量损失则与切削过程中的振动有关。
这些能量耗散形式相互影响，共同决定了整个切削过程的能量耗散特征。
（二）实验研究为了更深入地了解冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征，我们进行了大量的实验研究。
实验结果表明，在切削过程中，随着切削深度的增加，切削力做功逐渐增大，热能产生和振动能量损失也相应增加。
此外，不同岩石类型的能量耗散特征也存在差异，这主要与岩石的物理性质、结构特点等有关。
（三）数值模拟分析除了实验研究外，我们还采用了数值模拟的方法对冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征进行了分析。
数值模拟结果与实验结果基本一致，进一步验证了我们的分析。
通过数值模拟，我们可以更直观地了解切削过程中的能量流动和转换，为优化切削工艺提供有力支持。
四、结论与展望通过对冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征进行分析，我们得出以下结论：1. 切削力做功是冲击荷载下岩石切削破碎过程中主要的能量耗散形式；2. 热能产生和振动能量损失随切削深度的增加而增大；3. 不同岩石类型的能量耗散特征存在差异；4. 通过实验和数值模拟方法可以有效地分析冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征。
强冲击荷载下岩石材料断裂及破碎机理研究
强冲击荷载下岩石材料断裂及破碎机理研究如今，由于大气污染、资源枯竭等问题，岩石材料，作为建筑工程和设备设施建设的主要原料，受到了广泛的关注。
岩石材料的断裂问题已成为研究和开发岩石材料的重要内容。
它影响着岩石材料的力学性能和使用价值，以及某些工程的安全稳定性。
然而，岩石材料断裂与破碎过程的机理还没有得到充分的研究。
强冲击荷载作用下岩石材料的断裂机理是一个复杂的过程，主要由外部冲击与材料本身物理性能共同作用而决定。
例如，在冲击荷载作用下，岩石材料表面迅速产生拉伸和剪切应变，从而产生断裂，随后岩石材料由于本身的松弛和抗压强度不足而破碎，整个破碎过程在微秒级，秒级甚至更长时间内完成。
此外，冲击荷载作用下岩石材料的断裂机理还受岩石材料的敏感性影响。
岩石的敏感性是指它在给定条件下受外力改变的性质。
因此，岩石的敏感性高，则它受外力影响的程度高。
同样，在冲击荷载作用下，岩石材料敏感性高，则在较短时间内受外力影响较大，从而导致较大的拉应变，从而影响岩石断裂机理的发展。
此外，岩石材料的断裂机理还受岩石的微观结构特性影响。
岩石的微观结构特性，如晶体结构和损伤等，与敏感性有关，会影响岩石材料的力学行为。
例如，当岩石的结晶体紧密度较低时，它的弹性模量较低，因此，在同一冲击荷载作用下，它容易破碎。
而当岩石的损伤程度较高时，它的弹性模量也会相应降低，也易于受到冲击荷载的破坏。
由上述可见，在强冲击荷载作用下，岩石材料的断裂机理是一个复杂的过程，主要由外部冲击和材料本身物理性能共同决定。
当岩石材料受到强冲击荷载作用时，它的表面会迅速产生拉伸和剪切应变，从而产生断裂；岩石材料的敏感性较高时，则容易在较短时间内受到冲击荷载的破坏；岩石的微观结构特性以及损伤等因素也会影响岩石断裂机理的发展。
因此，为了更好地认识岩石材料在强冲击荷载作用下的断裂机理，需要进一步加强该领域的研究，以期及时有效地解决岩石断裂问题。
总之，在强冲击荷载作用下，岩石材料断裂机理是复杂的，主要受外部冲击与材料本身性能共同决定，也受岩石的敏感性、微观结构特性及损伤状况等因素影响。
冲击载荷作用下煤岩破碎与耗能规律实验研究
变率和应力波携带的能量均呈线性增长，而煤岩破碎耗散能则呈指数上升。通过对实验碎块进行
块度分维，发现随着应变率的提高，试件的耗散能密度快速增大，煤岩碎块的分形维数就越大，
块度越细，破坏的程度越剧烈。分形维数与应变率及耗散能密度之间呈对数增长的关系，即分形
维数增大的趋势变缓。
关键词 煤岩；分离式霍普金森压杆；动态冲击；能量耗散；分维
中图分类号 TD 315
文献标志码 A
DOI 10.13545/ki.jmse.2016.02.029
Experimental research on failure and energy dissipation law
of coal under impact load
ZHANG Wenqing，SHI Biming，MU Chaomin
第 33 卷 第 2 期 2016 年 03 月
采矿与安全工程学报 Journal of Mining & Safety Engineering
文章编号：1673-3363-(2016)02-0375-061
Vol.33 No.2 Mar．2016
冲击载荷作用下煤岩破碎与耗能规律实验研究
张文清，石必明，穆朝民
本文利用分离式霍普金森压杆装置(SHPB)对 煤岩进行不同载荷作用下的冲击压缩试验，结合岩 石动态冲击能量计算理论和分形理论，对煤岩试件 在中等应变率条件下破坏的能量耗散、破碎吸能、 破碎块度与应变率的关系进行了研究，分析了煤岩 在冲击破坏过程中的能量耗散及破碎块度分布特 征。
1 动态冲击实验
1.1 SHPB 压杆实验装置 本次实验是在安徽理工大学冲击实验室的 Φ75
本文利用分离式霍普金森压杆装置shpb对煤岩进行不同载荷作用下的冲击压缩试验结合岩石动态冲击能量计算理论和分形理论对煤岩试件在中等应变率条件下破坏的能量耗散破碎吸能破碎块度与应变率的关系进行了研究分析了煤岩在冲击破坏过程中的能量耗散及破碎块度分布特动态冲击实验11shpb压杆实验装置本次实验是在安徽理工大学冲击实验室的75mmshpb实验系统上完成装置示意如图1所示
《冲击荷载下岩石切削破碎能量耗散特征分析》范文
《冲击荷载下岩石切削破碎能量耗散特征分析》篇一一、引言在工程实践中，岩石切削破碎是一个常见的工艺过程，尤其在采矿、隧道挖掘和岩石工程等领域。
这一过程涉及到大量的物理和力学原理，特别是在冲击荷载下的岩石破碎过程中，能量耗散特征的研究显得尤为重要。
本文旨在分析冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征，为相关工程实践提供理论依据。
二、研究背景及意义岩石切削破碎是一个复杂的物理过程，涉及到岩石的力学性质、切削工具的特性和冲击荷载的强度等因素。
在冲击荷载下，岩石的破碎过程涉及到能量的传递、转换和耗散。
研究这一过程中的能量耗散特征，有助于深入了解岩石的破碎机理，提高破碎效率，降低能耗，对工程实践具有重要意义。
三、研究方法及数据来源本研究采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法。
首先，通过查阅相关文献和理论分析，了解岩石的力学性质和切削破碎的基本原理。
其次，利用数值模拟软件对冲击荷载下的岩石切削破碎过程进行模拟，分析能量传递和耗散的过程。
最后，通过实验研究，验证数值模拟结果的准确性，并进一步分析能量耗散的特征。
数据主要来源于文献资料、实验数据和数值模拟结果。
四、冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征在冲击荷载下，岩石切削破碎过程中能量的耗散主要表现在以下几个方面：1. 弹性耗能：在切削过程中，部分能量以弹性波的形式在岩石中传播，导致岩石产生弹性变形。
这部分能量在后续的切削过程中会逐渐释放，对岩石的破碎产生影响。
2. 塑性耗能：当冲击力超过岩石的屈服强度时，岩石发生塑性变形，消耗大量能量。
这部分能量主要用于克服岩石内部的摩擦力和粘聚力，使岩石发生破碎。
3. 热能：在切削过程中，由于摩擦和塑性变形等原因，会产生大量的热能。
这部分热能会导致切削工具和周围环境的温度升高，影响切削效率和工具寿命。
4. 声能：在岩石破碎过程中，会产生一定的声能。
这部分声能主要来自于岩石破碎时的振动和冲击声。
五、数值模拟与实验验证通过数值模拟软件对冲击荷载下的岩石切削破碎过程进行模拟，得到了能量传递和耗散的过程。
《2024年冲击荷载下岩石切削破碎能量耗散特征分析》范文
《冲击荷载下岩石切削破碎能量耗散特征分析》篇一一、引言在工程实践中，岩石切削破碎是一个普遍存在的现象，尤其在采矿、隧道挖掘和建筑等工程领域中，其涉及到的力学特性和能量耗散机制对工程安全至关重要。
在冲击荷载下，岩石的切削破碎是一个复杂的物理过程，涉及多个力学因素和能量转化机制。
本文旨在深入分析冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征，为相关工程提供理论依据和指导。
二、研究背景与意义随着工程建设的不断发展，岩石切削破碎技术日益受到关注。
在冲击荷载作用下，岩石的破碎过程涉及到多种力学作用和能量转化机制。
因此，研究冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征，对于揭示岩石破碎机理、优化破碎工艺和提高工程效率具有重要意义。
此外，该研究还有助于减少工程事故、提高工程安全性和经济效益。
三、研究方法与实验设计本研究采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，对冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征进行分析。
首先，通过查阅相关文献和资料，了解岩石切削破碎的基本原理和力学特性。
其次，利用数值模拟软件对岩石切削破碎过程进行模拟，分析冲击荷载下岩石的应力分布、能量转化和耗散机制。
最后，通过实验研究验证数值模拟结果的准确性，并进一步分析冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征。
四、实验结果与分析1. 应力分布特征在冲击荷载作用下，岩石切削破碎过程中表现出明显的应力分布特征。
通过数值模拟和实验研究，发现岩石内部存在应力集中现象，且应力分布与岩石的物理性质、结构特征和切削参数等因素密切相关。
此外，冲击荷载作用下岩石的应力分布还受到切削工具的影响，如刀具的形状、硬度等。
2. 能量转化与耗散机制在冲击荷载下，岩石切削破碎过程中涉及多种能量转化和耗散机制。
首先，冲击能量通过切削工具传递给岩石，导致岩石发生变形和破碎。
其次，部分能量转化为热能、声能等其他形式的能量。
此外，由于岩石内部存在裂纹、孔隙等缺陷，导致能量在传播过程中发生耗散。
这些能量转化和耗散机制对岩石的切削破碎效果具有重要影响。
爆炸冲击荷载下的岩体裂纹数值模拟
爆炸冲击荷载下的岩体裂纹数值模拟摘要：本次计算的目的是为了模拟岩体在爆炸冲击荷载工况下的损伤断裂，最终的结果是得到裂纹的发展情况。
采用的工具是国际通用的大型有限元分析软件ABAQUS。
ABAQUS在非线性、爆炸模拟方面具有强大的功能[1，2]，并且在ABAQUS的计算实例中给出了一些相关的爆炸模拟例子[3，4]，所以采用ABAQUS作为这次运算的工具是足够而充分的，最终的数值结果将与ABAQUS自带的爆炸计算实例进行对比分析来确定本次计算的合理性。
关键词：爆炸冲击；ABAQUS；裂纹；数值模拟1 引言由于数值计算在爆炸冲击下岩石材料的裂纹产生必须具有普遍性，所以首先要解决的问题便是几何模型，由于几何模型必须具有一定的实际意义，所以在参考了前人实验数据后，决定采用如下的几何模型。
这一几何模型是一般爆炸试验的标准尺寸，并且利用这一模型所做的爆炸试验结果完全可以用于对照本次计算，来检验ABAQUS模拟情况的合理性。
需要注意的是：虽然实际的爆炸试验具有一定的参考价值，但本文参考的文献是混凝土爆炸的模型尺寸，而我们所需要作的是的岩石的爆炸模型，在本质上二者具有很大的差别。
2．ABAQUS算例概况算例中存在2个同心的圆环管，在2个环形管的间隔中塞满高速炸药（HE）。
内钢管的半径为10mm，外钢管的半径为20mm，两个钢管的厚度均为2mm。
两个钢管都采用6个元素来模拟发射方向，但在HE区域则采用24个元素模拟爆炸辐射方向。
钢管材料为理想弹塑性的，它的杨氏模量为221.6GPa，泊松比为0.279，屈服强度为430MPa，密度为7846kg/m3。
爆炸时，HE 采用JWL 状态方程来计算应力及能量参数。
爆炸时爆炸波的速率为7596m/s，参数A=520.6GPa，B=5.3GPa，R1=4.1，R2=1.2，ω=0.35，HE密度=1900kg/m3，初始具体能量=3.63J/kg。
控制管内液体拉力为认为是0。
冲击荷载下岩石强度及破碎能耗特征的尺寸效应研究共3篇
冲击荷载下岩石强度及破碎能耗特征的尺寸效应研究共3篇冲击荷载下岩石强度及破碎能耗特征的尺寸效应研究1岩石是一种非常重要的工程材料，用于许多建筑和基础设施项目中。
在工程中，岩石往往需要承受各种类型的荷载，其中冲击荷载是最常见的一种。
本文将研究冲击荷载下岩石强度及破碎能耗特征的尺寸效应。
岩石的强度是指岩石在外力作用下抵抗破坏的能力。
在冲击荷载下，岩石会受到突然的、短暂的冲击负荷，这会导致岩石中的缺陷和裂纹扩展并最终导致破裂。
因此，确定岩石在冲击荷载下的强度对于判断岩石结构的稳定性是非常重要的。
研究表明，岩石强度受到很多因素的影响，其中包括岩石类型、孔隙度、颗粒大小、组成成分等。
此外，岩石的尺寸也是影响岩石强度的关键因素之一。
一般来说，相同类型的岩石在不同的尺寸下的强度是不一样的。
在冲击荷载下，岩石的尺寸对其承载能力会有很大影响，因为大块的岩石所需的冲击能量比小块的岩石大得多。
另外一个影响岩石强度的关键因素是破碎能耗特征。
破碎能耗特征是指岩石当受到冲击荷载时，其破碎过程中消耗的能量。
研究表明，相同类型的岩石在不同的尺寸下的破碎能耗特征也是不同的。
当岩石受到冲击荷载时，岩石的破碎过程中会消耗大量的能量，而岩石尺寸越大，所消耗的能量也越多。
岩石材料的强度和破碎能耗特征对于工程设计和建设至关重要。
理解岩石尺寸对材料特性的影响可以帮助工程师选择更合适的材料，并加强对建筑结构的稳定性分析。
尽管研究表明岩石强度受到很多因素的影响，但是在冲击荷载下，岩石的尺寸仍然是决定其承载能力和破碎能耗特征的关键因素。
冲击荷载下岩石强度及破碎能耗特征的尺寸效应研究2岩石在土木工程中作为建筑和基础的一个重要材料，其强度和破碎能耗特征是衡量其耐久性和可靠性的重要指标。
然而，在冲击荷载下，岩石的强度和破碎能耗特征受到其尺寸的影响，因此需要对其尺寸效应进行研究。
本文将探讨冲击荷载下岩石强度及破碎能耗特征的尺寸效应。
首先，在理论方面，尺寸效应是指固体材料在小尺度下其强度较大尺度下强度更高的现象。
《冲击荷载下岩石切削破碎能量耗散特征分析》范文
《冲击荷载下岩石切削破碎能量耗散特征分析》篇一一、引言在工程实践中，岩石切削破碎是一个重要的环节，特别是在采矿、隧道挖掘和岩石破碎等工程中。
当岩石受到冲击荷载时，其切削破碎的能量耗散特征成为了一个关键的研究方向。
本文将就冲击荷载下岩石切削破碎的能量耗散特征进行分析，为进一步理解岩石破碎过程提供理论依据。
二、冲击荷载下岩石切削破碎的基本原理在冲击荷载作用下，岩石的切削破碎过程是一个复杂的物理过程。
这一过程涉及到岩石的力学性质、冲击速度、切削工具的几何形状等多个因素。
当冲击力达到一定阈值时，岩石内部的应力分布发生变化，导致岩石发生破裂和破碎。
三、能量耗散特征分析（一）能量传递与转化在冲击荷载下，能量从外部传递到岩石内部，并转化为多种形式的能量。
其中，部分能量用于克服岩石内部的摩擦力和内聚力，使岩石发生变形和破裂；部分能量则以热能的形式耗散掉。
（二）能量耗散形式在岩石切削破碎过程中，能量耗散主要表现在以下几个方面：1. 弹性形变能：岩石在受到冲击时，产生弹性形变，储存了部分能量。
当外力消失时，这部分能量会以弹性波的形式释放出来。
2. 塑性形变能：当冲击力超过岩石的屈服强度时，岩石发生塑性形变，储存的能量转化为热能和其他形式的能量。
3. 断裂能：当岩石内部应力达到一定程度时，会发生破裂和破碎，这部分能量主要转化为断裂能和热能。
四、影响因素分析（一）岩石力学性质岩石的力学性质对能量耗散特征具有重要影响。
不同种类的岩石具有不同的强度、硬度、韧性和内聚力等力学性质，这些性质决定了岩石在受到冲击时的响应和破碎方式。
（二）冲击速度冲击速度是影响能量耗散特征的重要因素。
随着冲击速度的增加，岩石的破碎程度和能耗也会相应增加。
这是因为高速冲击可以更快地使岩石内部的应力达到破裂阈值。
（三）切削工具几何形状切削工具的几何形状对能量耗散特征也有影响。
不同形状的工具在切削过程中会产生不同的应力分布和破碎模式，从而影响能耗和破碎效果。
冲击载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究
０引言花岗岩是钨矿围岩中常见的一种岩石。
目前许多钨矿矿山为了延长矿山服务年限，急需加强矿山外围和深部勘探，这就需要进行大量的矿岩破碎工程。
冲击载荷作用下破碎岩石是目前运用较为广泛的一种破岩方法，但其破岩机理还有待进一步研究。
近年来，非线性科学中的分形理论、系统科学中的突变理论和数值模拟方法等现代科学理论开始渗入岩石破碎研究领域［１－５］，取得了一些成果。
但是，分形理论在岩石破碎中主要被用于研究破碎块度，无法建立破碎结果与破碎的物理机制之间的相互关系；突变理论主要研究系统参数发生微小变化后结构的稳定与否，它在岩石破碎领域的应用目前主要局限于地震与岩爆等由缓慢变形到突然破裂的现象，尚没有用于研究凿岩等由于冲击载荷产生的破坏现象；数值模拟方法是用来沟通理论模型和实验研究的桥梁，但岩石的本构模型准确性、客观性以及岩石性质参数和边界条件还需要加以研究。
因此冲击载荷破岩的数值模拟与试验研究相接合对丰富冲击破岩理论具有重要意义。
１冲击载荷破岩特点１．１岩石断裂形态如图１所示，压头侵入硬岩时一般产生径向、中间和侧向裂纹，同时在压头下方还会形成一个密实核，在钠玻璃上进行侵入试验表明，形成的密实核近似于半球形，其主要特征是发生了剪切变形［６］。
由此可看出侧向裂纹是从剪切变形区底部起裂的。
侧向裂纹一般在卸载过程产生并扩展，中间裂纹产生于加载过程，并在卸载过程有部分弹性恢复；径向裂纹既可产生于加载过程，又可出现在卸载期间，但不论何时产生都在卸载过程继续发展。
１．２冲击破岩特点岩石在冲击载荷作用下将引起应力波在岩石中的传播。
对应力波的描述包括频谱（即频率分布）、能量分布、波速、波长等，同时岩石中裂纹或缺陷也有尺寸分布或谱图，这样便能根据载荷作用特点与具体岩石对象确定微观与细观以及宏观尺度的划分标准，并找出分析重点，从而采用相应的方法来对其动态破坏过程进行研究。
典型的冲击载荷有机械冲击载荷与爆炸冲击载荷。
机械冲击是动能传播到一个系统，其发生传递的时间比该系统的自由振动周期要短。
冲击载荷下不同材料破碎的数值模拟的开题报告
冲击载荷下不同材料破碎的数值模拟的开题报告一、研究背景随着人们对安全、可靠、高强度材料需求的提高，不同材料的破碎行为成为一个重要的研究领域。
在工程实践和军事领域中，材料的破碎行为对产品的安全性和作战效能起着至关重要的作用。
而材料的破碎行为往往受到多种冲击载荷的影响，在不同的冲击载荷下，材料的破坏方式和破碎特征也会有所不同。
因此，研究冲击载荷下不同材料的破碎行为，对于掌握材料的破碎机制，提高材料的强度和抗冲击能力具有重要意义。
二、研究内容该研究将采用数值模拟方法，对不同材料在冲击载荷下的破碎行为进行模拟。
首先，建立不同材料的有限元模型，并在ABAQUS软件中进行模拟。
其次，采用不同的冲击载荷模式，在模拟中模拟材料的破碎行为。
最后，分析模拟结果，探究不同材料在不同冲击载荷下的破碎机制和破碎特征，为提高材料强度和抗冲击能力提供理论支持。
三、研究意义该研究利用数值模拟方法，对冲击载荷下不同材料的破碎行为进行模拟，可以深入研究材料的破碎机制和破碎特征，为提高材料强度和抗冲击能力提供理论支持。
同时，研究结果还可以为工程实践和军事领域的产品设计和评估提供重要参考，对于提高产品的安全性和作战效能也具有重要意义。
四、研究方法(1) 建立不同材料的有限元模型；(2) 将模型导入ABAQUS软件中，并设置模拟参数；(3) 采用不同的冲击载荷模式进行模拟，例如冲击载荷的方向、大小、时间等参数；(4) 分析模拟结果，探究材料的破碎机制和破碎特征。
五、预期结果预计通过数值模拟方法，可以模拟出不同材料在不同冲击载荷下的破碎行为，深入探究材料的破碎机制和破碎特征。
同时，研究结果可以为提高材料的强度和抗冲击能力提供理论支持，为工程实践和军事领域的产品设计和评估提供重要参考。
岩石动态加载下的破裂韧性试验研究与数据处理
岩石动态加载下的破裂韧性试验研究与数据处理在岩石工程领域中，破裂韧性是评价岩石材料强度和脆性的重要指标之一。
本文探讨了岩石在动态加载条件下的破裂韧性试验研究和数据处理方法。
通过合适的试验装置和实验方法，可以获取岩石在不同动态加载下的破裂韧性参数，为岩石工程设计提供准确可靠的数据支持。
一、实验装置与方法岩石动态加载试验通常采用冲击加载方式，常见的设备有冲击压力机、离心机等。
本文选择了冲击压力机进行试验，其主要构造包括冲击器、加载系统和测量系统。
试验方法主要包括斗击压缩试验和动态三点弯曲试验。
斗击压缩试验中，选定一块具有典型韧性特性的岩石样本，放置在试验机底板上。
冲击器从上方快速下落，对样本进行冲击加载，测量冲击力与位移的变化，并记录数据。
动态三点弯曲试验中，选取另一块岩石样本，将其固定在两个支撑点之间，冲击器施加冲击力进行加载，测量岩石样本的挠度与冲击力的变化，并记录数据。
二、数据处理方法试验过程中获得的数据需要进行合理的处理，以获得岩石在动态加载下的破裂韧性参数。
1. 数据统计与分析首先，对试验获得的原始数据进行统计和分析。
计算冲击力与位移或挠度的关系，绘制相应的曲线图，进而研究岩石在加载过程中的变形和破裂特点。
2. 破裂韧性参数计算在数据统计和分析的基础上，可以计算岩石的破裂韧性参数。
常见的参数包括冲击能量吸收能力、塑性变形能力、峰值加载力等。
根据试验曲线的特征，通过合适的公式计算这些参数值。
3. 结果验证与模型拟合为了验证实验结果的准确性，将试验数据与数学模型进行对比和拟合。
选取适当的数学模型，将实验数据输入模型，比较模型计算结果与试验数据，评估模型的适用性和准确性。
三、结果及讨论通过实验和数据处理，可以得到岩石在动态加载下的破裂韧性参数。
根据试验结果，可以评估不同岩石材料的强度和脆性特性，为岩石工程设计提供依据。
此外，本文提出的试验方法和数据处理方法还可以应用于其他材料的破裂韧性研究中。
不同材料具有不同的破裂机理和破裂特点，通过类似的实验和数据处理方法，可以获得这些材料在动态加载下的相关参数。
冲击载荷作用下砂岩破坏及能量耗变率效应的数值模拟研究
冲击载荷作用下砂岩破坏及能量耗变率效应的数值模拟研究李明;茅献彪【摘要】基于HJC动态本构模型,利用ANSYS/LS-DYNA对砂岩SHPB试验进行了数值模拟研究,通过砂岩基本力学参量确定了HJC模型中各参数.数值模拟结果表明:不同应变率下,数值模拟所得到的砂岩破坏程度与破坏方式与实验情况基本一致,随着应变率的增加,砂岩破坏程度逐渐增加,破坏方式主要以拉破坏为主;不同应变率下,砂岩破坏都是从边缘向内部扩展,破坏初期在试样中心都出现完整的柱芯,但是高应变率下砂岩破坏速度更快;对砂岩破坏过程中的能量耗散特征进行了分析,随着应变率的增加,试样破坏过程中耗散能量呈线性增长.数值模拟结果与现有试验结果有较好的吻合,能够作为高应变率下岩石力学特性及能量耗散等研究的方式.【期刊名称】《爆破》【年(卷),期】2014(031)002【总页数】6页(P78-83)【关键词】冲击动力学;数值模拟;砂岩力学特性;能量耗散;HJC模型【作者】李明;茅献彪【作者单位】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;中国矿业大学力学与建筑工程学院,徐州221116【正文语种】中文【中图分类】O347.3岩石动力学问题广泛存在于工程爆破、煤炭开采工程中，随着爆破工程的普遍开展，已经成为当前岩石力学界研究的热点。
长期以来，试验一直作为主要的手段来研究岩石冲击破坏的力学性能，特别是随着分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统引入，在岩石动力学研究方面产生了大量的成果［1-10］。
但是，试验手段无法克服岩石试样间的差异性，导致同一条件下不同岩样试验数据的离散性较大。
另外，成本高、岩石瞬间破坏特征难以捕捉等问题，使得试验手段在研究岩石动力学问题方面存在着很大的局限，而通过有限元模拟的手段可以很好的解决这方面的问题。
近年来，随着有限元软件的发展，许多学者选择利用数值模拟手段对高应变率下岩石(类)材料SHPB试验进行模拟研究，并产生了大量的研究成果。
冲击荷载作用下脆性孔洞材料崩塌数值模拟分析_图文(精)
・960・岩石力学与工程学报 2005 p / GPa V/V0 (a 比容的变化 p / GPa Ra / Ra0 (b 内径的变化 Fig.6 图 6 不同孔隙率材料的冲击压缩过程曲线 Shock compression curves of brittle material with various pore volumes 快崩塌，临界点 B 根本不出现；本次模拟过程中，当孔隙率低于 15%时，临界点 B 一般会出现。
图 7 为对应计算区域内不同孔隙率材料的冲击压缩过程损伤历程。
此处损伤度 D 定义为系统中已经发生断裂的元与元之间的连接键与总的连接键的比值。
由此可见，当孔隙率较大时，材料内部的损伤更大，而且发展更快。
5 对随机分布的孔洞和裂纹共同作用时脆性材料崩塌模拟分析 Carrol-Holt 模型假定对脆性孔洞材料崩塌进行的初步模拟分析中考虑的材料缺陷仅为孔洞，而实际上研究的水泥基复合材料内所含的缺陷不仅仅是孔洞一种，各种尺度的裂纹对材料性能有较大的影响。
作者将对已知的含有 10.5% 缺陷的材料在不同的孔洞和裂纹含量下材料崩塌过程进行模拟分析，以探讨孔洞和裂纹在材料崩塌过程中的作用。
5.1 模拟方案与参数在前面采用的 Carrol-Holt 模型进行的计算分析中，单元离散和边界对于计算结果有一定的影响。
孔洞和裂纹混合分析统计结果见表 2。
为简化问题，分析孔洞和裂纹在材料崩塌过程的作用中将采用图 8 给出的不同缺陷组合计算的初始构形。
此构型上部受均布荷载的作用，其余 3 个面为约束面，即底部为固壁，两侧水平方向固定，材料可以自由进行垂直方向运动。
计算时的材料参数与前面相同，加载速度增加5 倍。
5.2 数值模拟结果图7 Fig.7 不同孔隙率材料的冲击压缩过程损伤历程Damage evolutions of materials with various pore volumes subjected to shock loading第 24 卷第6期徐松林等. 冲击荷载作用下脆性孔洞材料崩塌数值模拟分析• 961 • 表2 Table 2 算例编号 Ball 21 Ball 24 Ball 25 Ball 23 Ball 22 孔洞和裂纹混合分析统计结果(孔隙率和裂隙率总的含量为 10.5% 计算域尺寸 /cm×cm 3×3 3×3 3×33×3 3×3 材料域尺寸 /cm×cm 3×2.8 3×2.8 3×2.8 3×2.8 3×2.8 Summary of calculated results of material with pores and cracks (total content 10.5% 裂隙率/% 0.0 3.0 5.0 7.5 10.5 元的个数/个 5 964 6 109 6 254 6 418 6 612 元直径/mm 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 孔隙率/% 10.5 7.5 5.5 3.0 0.0 长度/cm Fig.8 图 8 不同缺陷组合计算的初始构形 Initial configuration for model analyses of material with various pores and cracks 图 9 不同缺陷组合下材料体积压缩过程的对比 Fig.9 Shock compression of brittle material with various pores and crack volumes 图 9 为不同缺陷组合下材料体积压缩过程的对比。
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0引言花岗岩是钨矿围岩中常见的一种岩石。
目前许多钨矿矿山为了延长矿山服务年限,急需加强矿山外围和深部勘探,这就需要进行大量的矿岩破碎工程。
冲击载荷作用下破碎岩石是目前运用较为广泛的一种破岩方法,但其破岩机理还有待进一步研究。
近年来,非线性科学中的分形理论、系统科学中的突变理论和数值模拟方法等现代科学理论开始渗入岩石破碎研究领域[1-5],取得了一些成果。
但是,分形理论在岩石破碎中主要被用于研究破碎块度,无法建立破碎结果与破碎的物理机制之间的相互关系;突变理论主要研究系统参数发生微小变化后结构的稳定与否,它在岩石破碎领域的应用目前主要局限于地震与岩爆等由缓慢变形到突然破裂的现象,尚没有用于研究凿岩等由于冲击载荷产生的破坏现象;数值模拟方法是用来沟通理论模型和实验研究的桥梁,但岩石的本构模型准确性、客观性以及岩石性质参数和边界条件还需要加以研究。
因此冲击载荷破岩的数值模拟与试验研究相接合对丰富冲击破岩理论具有重要意义。
1冲击载荷破岩特点1.1岩石断裂形态如图1所示,压头侵入硬岩时一般产生径向、中间和侧向裂纹,同时在压头下方还会形成一个密实核,在钠玻璃上进行侵入试验表明,形成的密实核近似于半球形,其主要特征是发生了剪切变形[6]。
由此可看出侧向裂纹是从剪切变形区底部起裂的。
侧向裂纹一般在卸载过程产生并扩展,中间裂纹产生于加载过程,并在卸载过程有部分弹性恢复;径向裂纹既可产生于加载过程,又可出现在卸载期间,但不论何时产生都在卸载过程继续发展。
1.2冲击破岩特点岩石在冲击载荷作用下将引起应力波在岩石中的传播。
对应力波的描述包括频谱(即频率分布、能量分布、波速、波长等,同时岩石中裂纹或缺陷也有尺寸分布或谱图,这样便能根据载荷作用特点与具体岩石对象确定微观与细观以及宏观尺度的划分标准,并找出分析重点,从而采用相应的方法来对其动态破坏过程进行研究。
典型的冲击载荷有机械冲击载荷与爆炸冲击载荷。
机械冲击是动能传播到一个系统,其发生传递的时间比该系统的自由振动周期要短。
冲击载荷的这种短暂特征,意味着在材料中会产生很高的应变文章编号:1009-0622(200705-0005-05冲击载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究谢世勇1,王艳霞2,赵伏军3(1.赣州有色冶金研究所,江西赣州341000;2.河北工业大学电气与自动化学院,天津300130;3.湖南科技大学能源与安全工程学院,湖南湘潭411201摘要:运用数值模拟方法研究了冲击载荷作用下的岩石微观结构特性变化,通过对岩石内部应力分布及裂纹分布图可以得出冲击载荷破岩时岩石内部在垂直方向产生一个拉应力区和一个压应力区,刀具下方的拉应力最大;中间裂纹扩展速度比径向和侧向裂纹都要快,裂纹面呈三角形状。
在多功能试验装置上对花岗岩进行冲击载荷破岩试验,试验结果表明:单纯提高冲击载荷对破岩效果不会有很大的提高,存在一个最佳破岩冲击能(63J。
关键词:冲击载荷;岩石破碎;数值模拟;试验研究中图分类号:TU457文献标识码:A收稿日期:2007-08-21作者简介:谢世勇(1982-,男,江西南康人,硕士,从事矿山地压控制、矿岩破碎等方向研究。
压头密实核径向裂纹侧向裂纹中间裂纹图1侵入断裂形态第22卷第5期2007年10月Vol.22,No.5Oct.2007China Tungsten Industry第22卷速率,对材料的变形破碎行为和机制产生重大影响。
爆炸冲击载荷比机械冲击载荷的强度要高得多。
爆炸发生以后,气体产生的压力瞬间可达到一万多个兆帕,温度达到几千度,在高温高压的作用下,临近岩石受到强烈压缩,颗粒被压碎,甚至发生液化和汽化。
岩石因受爆炸产物的挤压而向外运动,形成一个空腔,同时在岩石中产生一种强冲击波向外传播。
随着传播距离的增加,波阵面压力下降,不再引起岩石结构的破坏,而只产生质点的振动,这就是爆炸引起的地震效应[7]。
M.P.马弗柳托夫[8]采用直径1.95mm的压头做了自由落体冲击岩石的试验,他研究了动载荷冲击岩石时的破碎问题,其结果如图2所示。
曲线1是当冲击功不大时,在岩石表面只能见到压头冲击的痕迹, 围绕压头边缘出现裂纹带;曲线2是当冲击功增加到一定值时,载荷达到第一极大值,压头底下的岩石发生与静载荷相似的破碎,称为第一次大体积破碎(剪切体崩离,主压力体压碎;曲线3是当冲击功大于产生第一次大体积破碎的能量,使得压头侵入深度增加;曲线4是当冲击功相当大时,载荷达到第二极大值,岩石产生第二次大体积破碎。
依次循环。
由上述分析可知,动载荷破岩同样具有跃进式的特点。
冲击破碎主要适用于脆性和弹脆性岩石,岩石的脆性愈明显、愈坚硬,破碎时的载荷极大值就愈大。
脆性岩石在外载荷达到极大值后产生破裂或大体积破碎,而弹塑性岩石在破坏后仍有部分强度,在一定的外部作用下方可产生体积破碎。
2数值模拟2.1岩石及PDC刀具模型岩石及PDC刀具均采用三维实体建模,动静组合破岩试验的花岗岩试件尺寸为1000mm×500mm×500mm,PDC刀具的规格是"13.4mm×15mm。
刀具的模型采用实际尺寸建模,由于岩石受刀具影响范围较小,所以取刀具与岩面接触正下方的100mm×50mm×50mm范围建模。
花岗岩试件和PDC刀具的力学参数见表1和2,划分网格后的岩石及刀具模型见图3。
表1花岩石试件的力学参数表2刀具材料的物理力学性能(a模型整体三维视图网格(b刀具与岩面接触点放大网格(c模型整体二维视图网格(d刀具与岩面接触点放大网格图3岩石与PDC刀具模型网格2.2加载与求解在试验中,刀具刀刃的锐边圆弧(即锋利的边缘与岩面接触,在模拟中为了简化运算,现假设刀具与岩面接触为点面接触,且在加载过程中刀具只有垂直方向的位移,无水平移动,即不存在切削现象。
由于只考虑施加单轴冲击载荷(48、63、78J,所以分析类型选择瞬态求解(Transient,加载时间为0.0002s(中等应变速率。
只需将岩石模型的底面施加位移约束(即x、y、z3个方向都约束,模型前后左右4个面为自由面。
冲击载荷直接施加在刀具与岩面相接触的节点上,设定100个子步,最小子步为50,最大子步为100,为了便于收敛,打开自动调整时间积分步长。
2.3结果分析为了分析在单轴冲击载荷作用下试件的垂直应力和裂纹分布随子载荷步变化的情况,选取具有代表性的子载荷步计算结果来分析。
图4为冲击能48J作用下各子载荷步在垂直方向上的应力等值线分布云图,图5为各子载荷步产生的裂纹分布图,图6为不同冲击能(48、63、78J时裂纹分布图。
体积密度g/mm3抗压强度MPa抗拉强度MPa弹性模量GPa泊松比2.640167.518.6670.21 密度g/mm3努普硬度GPa抗弯强度GPa抗压强度GPa断裂韧性弹性模量GPa泊松比耐磨性3.5250￣800.6￣1.17￣87￣9560￣8000.08250 24600.51.01.52.02.51234P/kNh/min图2岩石冲击力与浸深关系6第5期(1在冲击载荷作用的初期,即在第1载荷步的时候,此时在垂直方向产生比较大范围的压应力,拉应力集中出现在刀具的下方,但还不足以使岩石产生裂纹,如图4所示。
(2在第2载荷步时,此时垂直方向在刀具与岩面接触点的下方出现一个较大的拉应力区,如图4所示,裂纹最先在刀具与岩面接触点下方开始产生,但裂纹分布面较小,如图4和图5所示。
(3从第8载荷步开始,刀具下方的压应力进一步增大,同时拉应力也相应增大,岩石裂纹面进一步扩大,裂纹扩展迅速,形成较大面积的破碎,并且裂纹往深部比往两侧扩展要快,如图4和图5所示。
(4到第27载荷步时,应力分布较为稳定,在垂直方向产生一个拉应力区和一个压应力区,刀具下方的拉应力最大,裂纹扩展形成一个较稳定的“三角形”裂纹面,如图5所示。
第1步第2步第10步第12步第21步第27步图448J 冲击能垂直方向应力等值线云图图548J 冲击能作用下各子载荷步产生的裂纹分布图6不同冲击能时裂纹分布第2步第8步第10步第12步第21步第27步48J 63J 78J谢世勇,等:冲击载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究7第22卷(5从图5和图6中可以看出,裂纹首先产生在刀具与岩面接触点上,然后中间裂纹扩展最快,径向裂纹比侧向裂纹扩展要快,岩石表面破碎较快;冲击载荷作用下岩石内部裂纹形成的破碎角较小;随着冲击载荷的增加,裂纹分布的深度增加较快,两侧的扩展则较缓慢,裂纹分布的面积也随即增加,但裂纹面积在63J时增加较快。
3试验研究3.1试验装置该装置主要由轴向静压加载装置、落锤冲击加载装置、刀具及夹具装置和测试系统等部分组成[9-10], 如图7所示。
图7多功能破岩试验台结构图1-机架;2-轴向加压油缸;3-冲击杆传动装置;4-冲击杆;5-升降横梁;6-刀具夹;7-冲击调速电机;8-皮带传动装置; 9-轨轮车;10-岩样;11-导轨冲击加载机构或冲击杆传动装置主要组成部件为机架、调速电机、皮带传动机构、齿轮传动机构、链轮传动机构、托销、冲击杆(锤、配重等。
刀具安装机构通过法兰盘及螺栓固定在升降横梁上,主要由刀头、碟形弹簧、刀具杆、传感器(分别测量静载荷和冲击应力波等组成。
在升降横梁板上可安装多把刀具同时破碎岩石,也可变换刀具夹安装滚刀或其他刀具破岩。
选用湖南飞碟新材料有限公司生产的圆柱形聚晶金刚石复合片(PDC压头,规格见表2。
3.2试验方法和步骤本试验中冲击高度为300mm,冲击能分别为48、63、78J。
每次破碎岩石之后,清除岩粉,测量破碎坑体积,每一试验重复3次,取其平均值。
试验完成后,采用DH3840应变放大器(动态应变仪和DH5932数据采集仪记录和分析试验数据。
实验步骤如下:(1将试验前制作好的花岗岩试件吊放在轨轮车平台上,在台面与试样之间放置不同规格的钢架,以随时调节试样高度。
(2试验参数设置。
花岗岩的冲击高度为300mm,加载波形为似正弦波,幅值设置超过试件的估计强度值。
因为存在动态实验,所以选择动载频率和数据采样频率高的数据采集/处理系统。
(3启动各加载设备,以不同能级的冲击能来实现冲击破岩的试验,获得各个对应的侵入深度、破岩体积等,以侵入深度、破岩体积和比能耗来评价破岩效果。
(4设置极限保护以保障设备安全。
3.3试验结果及分析岩石的破碎效果以破碎体积和破碎比能(即破碎单位体积岩石所消耗的能量来度量,由表3的试验结果可计算出破碎比能。
破碎比能[11]由公式(1确定: E S=W/V(1式中:ES为破碎比能,J/mm3;V为破碎岩石体积,mm3;W为冲击能量,J。
而W=P u/2式中:P为作用在刀具上的力,用WOB表示,N;u为刀具切削深度,m。