2020年 40卷 第7期
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2020, 40(7): 071401.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0403
摘要:
参照层状密度梯度泡沫模型实现方法，利用3D-Voronoi技术设计了新型径向密度梯度泡沫模型，并用有限元软件，对它在不同冲击载荷下的力学行为进行数值模拟。研究冲击速度、密度梯度和平均相对密度对金属泡沫冲击端、支撑端应力和能量吸收能力的影响，发现：径向正梯度泡沫与层状正、负梯度泡沫相比，其两端的应力值均较小，可同时保护冲击端、支撑端物体；径向负梯度泡沫两端应力变化幅度较小，能够保证物体受力稳定；几种泡沫金属的能量吸收能力在不同冲击速度下发生交替变化。对于径向梯度泡沫，能量吸收能力对密度梯度大小不敏感，对梯度方向敏感，径向负梯度泡沫的能量吸收能力始终大于径向正梯度泡沫；平均相对密度越大，径向正、负梯度泡沫两端应力越大、吸能效果越好。
参照层状密度梯度泡沫模型实现方法，利用3D-Voronoi技术设计了新型径向密度梯度泡沫模型，并用有限元软件，对它在不同冲击载荷下的力学行为进行数值模拟。研究冲击速度、密度梯度和平均相对密度对金属泡沫冲击端、支撑端应力和能量吸收能力的影响，发现：径向正梯度泡沫与层状正、负梯度泡沫相比，其两端的应力值均较小，可同时保护冲击端、支撑端物体；径向负梯度泡沫两端应力变化幅度较小，能够保证物体受力稳定；几种泡沫金属的能量吸收能力在不同冲击速度下发生交替变化。对于径向梯度泡沫，能量吸收能力对密度梯度大小不敏感，对梯度方向敏感，径向负梯度泡沫的能量吸收能力始终大于径向正梯度泡沫；平均相对密度越大，径向正、负梯度泡沫两端应力越大、吸能效果越好。
2020, 40(7): 071402.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0418
摘要:
基于3D-Voronoi技术构建了泡沫铝芯层的三维细观有限元模型，对梯度泡沫铝夹芯管在内爆炸载荷下的动态响应进行了数值模拟。分析讨论了夹芯管结构内外管的壁厚、泡沫芯层的相对密度、芯层梯度分布等参数对夹芯管结构的抗爆性能与吸能性能的影响，并与无芯层的双层圆管进行了对比。结果表明：泡沫材料的相对密度可通过改变泡沫胞元大小和胞元壁厚进行调控，利用两种方式构建的夹芯管计算结果一致；保持内、外圆管总质量不变，增大内管壁厚可以有效减小外管的塑性变形，但会影响泡沫芯层的能量耗散；泡沫芯层的填充可以有效降低内管的塑性变形，正梯度泡沫铝夹芯管的抗爆性能优于均匀泡沫及负梯度泡沫夹芯管。
基于3D-Voronoi技术构建了泡沫铝芯层的三维细观有限元模型，对梯度泡沫铝夹芯管在内爆炸载荷下的动态响应进行了数值模拟。分析讨论了夹芯管结构内外管的壁厚、泡沫芯层的相对密度、芯层梯度分布等参数对夹芯管结构的抗爆性能与吸能性能的影响，并与无芯层的双层圆管进行了对比。结果表明：泡沫材料的相对密度可通过改变泡沫胞元大小和胞元壁厚进行调控，利用两种方式构建的夹芯管计算结果一致；保持内、外圆管总质量不变，增大内管壁厚可以有效减小外管的塑性变形，但会影响泡沫芯层的能量耗散；泡沫芯层的填充可以有效降低内管的塑性变形，正梯度泡沫铝夹芯管的抗爆性能优于均匀泡沫及负梯度泡沫夹芯管。
2020, 40(7): 071403.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0414
摘要:
设计了一种箭形负泊松比的蜂窝基座结构，推导了其胞元结构的力学性能解析公式，并利用有限元方法研究了具有厚度梯度箭形负泊松比蜂窝材料的抗冲击性能。基于功能梯度材料，其基体呈连续梯度变化的概念，以胞元壁厚为自变量，设计了顺厚度梯度、逆厚度梯度型和均匀厚度的蜂窝层，并建立基座模型。在基座质量不变的前提下具体讨论了蜂窝胞元凹角及厚度梯度的不同设置情况对基座抗冲击性能的影响。结果表明，相同梯度设置情况下，胞角的变化会引起蜂窝结构等效弹性模量的变化，进而改变基座的抗冲击性能，而将胞壁厚度较小的蜂窝层放置于迎冲端时，基座整体的应力水平明显降低；将壁厚较大的蜂窝层放置于迎冲端时，基座面板的输出冲击环境能够有效地得到控制。
设计了一种箭形负泊松比的蜂窝基座结构，推导了其胞元结构的力学性能解析公式，并利用有限元方法研究了具有厚度梯度箭形负泊松比蜂窝材料的抗冲击性能。基于功能梯度材料，其基体呈连续梯度变化的概念，以胞元壁厚为自变量，设计了顺厚度梯度、逆厚度梯度型和均匀厚度的蜂窝层，并建立基座模型。在基座质量不变的前提下具体讨论了蜂窝胞元凹角及厚度梯度的不同设置情况对基座抗冲击性能的影响。结果表明，相同梯度设置情况下，胞角的变化会引起蜂窝结构等效弹性模量的变化，进而改变基座的抗冲击性能，而将胞壁厚度较小的蜂窝层放置于迎冲端时，基座整体的应力水平明显降低；将壁厚较大的蜂窝层放置于迎冲端时，基座面板的输出冲击环境能够有效地得到控制。
2020, 40(7): 071404.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0423
摘要:
多胞薄壁结构具有轻量化、高比吸能的特点，在汽车、轮船、航空航天等领域得到了广泛的应用。已有研究表明结构的耐撞性与结构的拓扑方式及胞元数量密切相关。为了研究结构形状和拓扑优化对其吸能效果的影响，基于正多边形结构，通过内嵌多边形和外接圆管的方式设计了两类新型多胞薄壁结构，并对这两类多胞薄壁结构进行准静态和落锤冲击实验，利用高速相机记录结构的变形模式，并定量分析了结构的吸能特性。实验结果表明：除正三角形二级内嵌四边形所得结构在准静态加载实验后期出现了局部失稳现象外，其余结构在准静态和落锤冲击实验过程中均保持垂直受压，结构变形模式与吸能效果较好。通过比较两类结构的实验结果得出：不论是在准静态加载还是在落锤冲击的情况下，内嵌多边形结构的各项吸能指标都明显优于外接圆管的结构；同等质量的情况下，内嵌四边形结构的吸能效果明显优于内嵌三角形的结构。
多胞薄壁结构具有轻量化、高比吸能的特点，在汽车、轮船、航空航天等领域得到了广泛的应用。已有研究表明结构的耐撞性与结构的拓扑方式及胞元数量密切相关。为了研究结构形状和拓扑优化对其吸能效果的影响，基于正多边形结构，通过内嵌多边形和外接圆管的方式设计了两类新型多胞薄壁结构，并对这两类多胞薄壁结构进行准静态和落锤冲击实验，利用高速相机记录结构的变形模式，并定量分析了结构的吸能特性。实验结果表明：除正三角形二级内嵌四边形所得结构在准静态加载实验后期出现了局部失稳现象外，其余结构在准静态和落锤冲击实验过程中均保持垂直受压，结构变形模式与吸能效果较好。通过比较两类结构的实验结果得出：不论是在准静态加载还是在落锤冲击的情况下，内嵌多边形结构的各项吸能指标都明显优于外接圆管的结构；同等质量的情况下，内嵌四边形结构的吸能效果明显优于内嵌三角形的结构。
2020, 40(7): 071405.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0355
摘要:
选用PolyMaxTM PLA为试样材料，利用3D打印技术制备了弧形折纸薄壁管件。基于准静态轴向压缩实验，运用ABAQUS软件对弧形折纸薄壁管件轴向准静态压缩和冲击行为进行了有限元计算，探讨了其变形模式和能量吸收特性，分析了预折角和薄壁单胞管件阵列数量对其压溃模式及能量吸收的影响。有限元计算结果与实验结果吻合较好。薄壁管件的变形过程可分为4个阶段：初始压溃阶段、预折角塑性旋转阶段、腹板塑性屈曲阶段和完全压溃密实化阶段。弧形折痕的引入能够有效地降低薄壁管件在压缩过程中的初始压溃载荷峰值，减小冲击载荷的振荡幅值。对比了高度相等、质量近似相等的方管与弧形折纸薄壁管在不同冲击速度下的压缩变形与能量吸收。在准静态压缩作用下，对于单胞模型，仅有折痕倾角为70°的模型的比吸能优于方管；对于多胞管件阵列模型，方管的比吸能均优于折纸管。折纸管的压缩力效率和比总体效率均优于方管，其中折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率最高。在动态冲击压缩下，阵列方管的比吸能均优于阵列折纸管。当冲击速度为10 m/s时，折纸管的压缩力效率和比总体效率均优于方管，其中折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率最高。当冲击速度为20 m/s时，仅有折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率优于方管。
选用PolyMaxTM PLA为试样材料，利用3D打印技术制备了弧形折纸薄壁管件。基于准静态轴向压缩实验，运用ABAQUS软件对弧形折纸薄壁管件轴向准静态压缩和冲击行为进行了有限元计算，探讨了其变形模式和能量吸收特性，分析了预折角和薄壁单胞管件阵列数量对其压溃模式及能量吸收的影响。有限元计算结果与实验结果吻合较好。薄壁管件的变形过程可分为4个阶段：初始压溃阶段、预折角塑性旋转阶段、腹板塑性屈曲阶段和完全压溃密实化阶段。弧形折痕的引入能够有效地降低薄壁管件在压缩过程中的初始压溃载荷峰值，减小冲击载荷的振荡幅值。对比了高度相等、质量近似相等的方管与弧形折纸薄壁管在不同冲击速度下的压缩变形与能量吸收。在准静态压缩作用下，对于单胞模型，仅有折痕倾角为70°的模型的比吸能优于方管；对于多胞管件阵列模型，方管的比吸能均优于折纸管。折纸管的压缩力效率和比总体效率均优于方管，其中折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率最高。在动态冲击压缩下，阵列方管的比吸能均优于阵列折纸管。当冲击速度为10 m/s时，折纸管的压缩力效率和比总体效率均优于方管，其中折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率最高。当冲击速度为20 m/s时，仅有折痕倾角为50°的模型的压缩力效率和比总体效率优于方管。
2020, 40(7): 071406.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0339
摘要:
为提高承受内部爆炸载荷钢筒的抗爆性能，研究了泡沫铝内衬对钢筒变形的影响。首先通过对比实验，发现在本文的实验条件下，泡沫铝内衬导致钢筒变形增大，甚至发生了严重的破坏；进而建立有限元模型，研究了钢筒变形随爆炸当量、泡沫铝内衬厚度的变化机理和规律。结果表明，添加足够厚度的泡沫铝内衬能够减小钢筒变形，但泡沫铝厚度不足时，则可能起到相反的效果。对于固定尺寸的含泡沫铝内衬钢筒，随着爆炸当量增加，泡沫铝内衬对钢筒塑性变形的影响主要包含3种模式。模式1，泡沫铝可通过塑性变形吸收爆炸载荷，从而减小钢筒变形。模式2，泡沫铝内衬导致钢筒承受的载荷强度增大，钢筒塑性变形增大。模式3，泡沫铝对载荷强度的影响可忽略，泡沫铝通过增大结构质量减小钢筒塑性变形。
为提高承受内部爆炸载荷钢筒的抗爆性能，研究了泡沫铝内衬对钢筒变形的影响。首先通过对比实验，发现在本文的实验条件下，泡沫铝内衬导致钢筒变形增大，甚至发生了严重的破坏；进而建立有限元模型，研究了钢筒变形随爆炸当量、泡沫铝内衬厚度的变化机理和规律。结果表明，添加足够厚度的泡沫铝内衬能够减小钢筒变形，但泡沫铝厚度不足时，则可能起到相反的效果。对于固定尺寸的含泡沫铝内衬钢筒，随着爆炸当量增加，泡沫铝内衬对钢筒塑性变形的影响主要包含3种模式。模式1，泡沫铝可通过塑性变形吸收爆炸载荷，从而减小钢筒变形。模式2，泡沫铝内衬导致钢筒承受的载荷强度增大，钢筒塑性变形增大。模式3，泡沫铝对载荷强度的影响可忽略，泡沫铝通过增大结构质量减小钢筒塑性变形。
2020, 40(7): 073101.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0377
摘要:
为构建Zr62.5Nb3Cu14.5Ni14Al6非晶合金在高压、大应变、高应变率状态下的材料模型，采用根据实验数据理论推导和数值模拟对比反馈的方法，对材料的Johnson-Holmquist本构模型（JH-2模型）参数进行了研究：材料的静水压力-体应变关系通过平板冲击实验数据和理论推导得到；无损材料强度与应变、应变率的关系通过轴向压缩实验数据确定；材料损伤参数与破碎材料强度参数的关系通过平板冲击实验数据确定；破碎材料强度参数通过数值模拟与实验结果对比的反馈法得到。将材料模型应用于平板冲击和破片侵彻的数值模拟，通过数值模拟与实验结果对比的方式，验证材料模型的准确性。结果表明，平板冲击实验中，材料的自由面粒子速度曲线与数值模拟结果吻合度较高；破片侵彻实验中，破片对钢靶的侵彻深度、开坑孔径与数值模拟结果的一致性较好，构建的材料模型较准确反映了材料的动态力学特性。
为构建Zr62.5Nb3Cu14.5Ni14Al6非晶合金在高压、大应变、高应变率状态下的材料模型，采用根据实验数据理论推导和数值模拟对比反馈的方法，对材料的Johnson-Holmquist本构模型（JH-2模型）参数进行了研究：材料的静水压力-体应变关系通过平板冲击实验数据和理论推导得到；无损材料强度与应变、应变率的关系通过轴向压缩实验数据确定；材料损伤参数与破碎材料强度参数的关系通过平板冲击实验数据确定；破碎材料强度参数通过数值模拟与实验结果对比的反馈法得到。将材料模型应用于平板冲击和破片侵彻的数值模拟，通过数值模拟与实验结果对比的方式，验证材料模型的准确性。结果表明，平板冲击实验中，材料的自由面粒子速度曲线与数值模拟结果吻合度较高；破片侵彻实验中，破片对钢靶的侵彻深度、开坑孔径与数值模拟结果的一致性较好，构建的材料模型较准确反映了材料的动态力学特性。
2020, 40(7): 073102.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0430
摘要:
以WELDOX 700E钢为研究对象，研究了8 mm钢在6 kg球形TNT空爆载荷、12 mm钢在10 kg球形TNT空爆载荷下的抗爆轰变形行为，结合ABAQUS模拟计算软件建立了WELDOX 700E钢抗爆轰变形模拟计算模型。结果表明：材料强度是影响WELDOX 700E钢抗爆轰变形行为的关键因素之一，高强度WELDOX 700E钢在球形TNT空爆载荷条件下呈现均匀的拱形变形。在6 kg球形TNT空爆载荷下，8 mm WELDOX 700E钢板中点的最大动态位移为144 mm，永久挠度为124 mm，回弹为21 mm；在10 kg球形TNT空爆载荷下，12 mm WELDOX 700E钢板中点的最大动态位移为166 mm，永久挠度为143 mm，回弹为23 mm。在不考虑实验工装整体偏移的条件下，球形TNT空爆载荷下钢的抗爆轰变形模拟计算结果可准确反映WELDOX 700E钢的抗爆轰变形行为。WELDOX 700E钢在抗爆轰形变过程中存在显著的厚度减薄现象并伴随一定的应变硬化行为，应变硬化行为主要为WELDOX 700E钢马氏体晶粒内部位错増殖的表现，8 mm和12 mm WELDOX 700E钢中心区域的位错密度较边部分别增加80.31%和151.76%。
以WELDOX 700E钢为研究对象，研究了8 mm钢在6 kg球形TNT空爆载荷、12 mm钢在10 kg球形TNT空爆载荷下的抗爆轰变形行为，结合ABAQUS模拟计算软件建立了WELDOX 700E钢抗爆轰变形模拟计算模型。结果表明：材料强度是影响WELDOX 700E钢抗爆轰变形行为的关键因素之一，高强度WELDOX 700E钢在球形TNT空爆载荷条件下呈现均匀的拱形变形。在6 kg球形TNT空爆载荷下，8 mm WELDOX 700E钢板中点的最大动态位移为144 mm，永久挠度为124 mm，回弹为21 mm；在10 kg球形TNT空爆载荷下，12 mm WELDOX 700E钢板中点的最大动态位移为166 mm，永久挠度为143 mm，回弹为23 mm。在不考虑实验工装整体偏移的条件下，球形TNT空爆载荷下钢的抗爆轰变形模拟计算结果可准确反映WELDOX 700E钢的抗爆轰变形行为。WELDOX 700E钢在抗爆轰形变过程中存在显著的厚度减薄现象并伴随一定的应变硬化行为，应变硬化行为主要为WELDOX 700E钢马氏体晶粒内部位错増殖的表现，8 mm和12 mm WELDOX 700E钢中心区域的位错密度较边部分别增加80.31%和151.76%。
2020, 40(7): 073201.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0401
摘要:
为了研究冲击荷载作用下脆性材料中运动裂纹与静止裂纹的相互作用，选取动态载荷下断裂行为与岩石材料类似且本身光学特性较好的有机玻璃（PMMA）作为实验材料，试件尺寸为220 mm×50 mm×5 mm，采用激光切割制作长度5 mm的预制裂纹和长度10 mm的静止裂纹，预制裂纹位于试件的底部边缘中心，静止裂纹的中心位于试件水平轴线。将静止裂纹偏置距离作为单一变量，采用数字激光动态焦散实验系统对含不同缺陷的PMMA进行三点弯曲实验，并结合几何分形理论研究不同偏置距离下运动裂纹的分形规律。实验结果表明：存在预制裂纹与静止裂纹的临界偏置距离（6 mm），该条件下裂纹轨迹对应的分形维数值最大，裂纹轨迹的规则程度最低，裂纹破坏形态最复杂。当预制裂纹与静止裂纹的偏置距离在0～6 mm时，裂纹Ⅰ起裂后垂直向上扩展一段距离，与静止裂纹交汇，并停滞一段时间后发生二次起裂，直至贯穿试件，偏置距离和交汇点竖向坐标值呈近似线性函数关系。偏置距离的存在不会影响裂纹Ⅰ的起裂时间和应力强度因子，但会显著减小裂纹Ⅱ的动态应力强度因子，且停滞时长随偏置距离的增大而逐渐缩短。当偏置距离大于临界偏置距离时，运动裂纹不再与静止裂纹交汇而是呈拱状向试件上边缘扩展直至贯穿，裂纹的起偏时间、起偏位置也会出现明显的滞后现象。
为了研究冲击荷载作用下脆性材料中运动裂纹与静止裂纹的相互作用，选取动态载荷下断裂行为与岩石材料类似且本身光学特性较好的有机玻璃（PMMA）作为实验材料，试件尺寸为220 mm×50 mm×5 mm，采用激光切割制作长度5 mm的预制裂纹和长度10 mm的静止裂纹，预制裂纹位于试件的底部边缘中心，静止裂纹的中心位于试件水平轴线。将静止裂纹偏置距离作为单一变量，采用数字激光动态焦散实验系统对含不同缺陷的PMMA进行三点弯曲实验，并结合几何分形理论研究不同偏置距离下运动裂纹的分形规律。实验结果表明：存在预制裂纹与静止裂纹的临界偏置距离（6 mm），该条件下裂纹轨迹对应的分形维数值最大，裂纹轨迹的规则程度最低，裂纹破坏形态最复杂。当预制裂纹与静止裂纹的偏置距离在0～6 mm时，裂纹Ⅰ起裂后垂直向上扩展一段距离，与静止裂纹交汇，并停滞一段时间后发生二次起裂，直至贯穿试件，偏置距离和交汇点竖向坐标值呈近似线性函数关系。偏置距离的存在不会影响裂纹Ⅰ的起裂时间和应力强度因子，但会显著减小裂纹Ⅱ的动态应力强度因子，且停滞时长随偏置距离的增大而逐渐缩短。当偏置距离大于临界偏置距离时，运动裂纹不再与静止裂纹交汇而是呈拱状向试件上边缘扩展直至贯穿，裂纹的起偏时间、起偏位置也会出现明显的滞后现象。
2020, 40(7): 074201.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0241
摘要:
Whipple屏是航天器防护空间碎片撞击的常用结构。现有的方法在模拟Whipple屏超高速撞击时均存在问题，本文采用最优运输无网格法（optimal transportation meshfree, OTM）对其进行模拟。OTM法是一种拉格朗日无网格法，其特点是运用最优运输理论对时间进行离散，采用带有位置信息的节点和带有材料信息的物质点对空间进行离散，利用局部最大熵（local maximum entropy, LME）方法得到插值函数，基于能量释放率来判断材料是否失效。本文首先用OTM法对铝球超高速撞击单层铝板进行模拟，通过与实验结果和各类SPH法的计算结果对比，验证了OTM法在超高速撞击问题上的适用性；然后采用OTM法对Whipple屏超高速撞击进行模拟，将OTM法预测的缓冲墙与后墙的损伤情况与实验结果进行对比，结果显示OTM法不仅能准确预测缓冲墙的弹孔直径，也能很好地模拟出后墙的剥落、穿透情况和碎片云的形态。
Whipple屏是航天器防护空间碎片撞击的常用结构。现有的方法在模拟Whipple屏超高速撞击时均存在问题，本文采用最优运输无网格法（optimal transportation meshfree, OTM）对其进行模拟。OTM法是一种拉格朗日无网格法，其特点是运用最优运输理论对时间进行离散，采用带有位置信息的节点和带有材料信息的物质点对空间进行离散，利用局部最大熵（local maximum entropy, LME）方法得到插值函数，基于能量释放率来判断材料是否失效。本文首先用OTM法对铝球超高速撞击单层铝板进行模拟，通过与实验结果和各类SPH法的计算结果对比，验证了OTM法在超高速撞击问题上的适用性；然后采用OTM法对Whipple屏超高速撞击进行模拟，将OTM法预测的缓冲墙与后墙的损伤情况与实验结果进行对比，结果显示OTM法不仅能准确预测缓冲墙的弹孔直径，也能很好地模拟出后墙的剥落、穿透情况和碎片云的形态。
2020, 40(7): 075201.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0255
摘要:
为解决边坡与下穿近接隧道协同爆破施工安全难题，结合某石油储备基地扩建项目，运用量纲推导、现场实验与信号分析相结合的方法，构建考虑高程影响的振动峰值速度公式，研究隧道爆破振动能量沿坡面的衰减机制。结果显示，边坡同台阶边沿处质点振速峰值大于坡脚处，坡面局部存在振动速度高程放大效应；引入相对坡度H/D的爆破振动模型对坡面质点振速预测精度高，可反映边坡角对高程放大效应的影响；振动速度及能量沿坡面均呈现出近区衰减快、远区衰减慢的传播特性，同时隧道爆破振动能量集中分布在0～300 Hz范围的多个子振频带，且高频能量沿坡面衰减更快，能量卓越频带中值以指数形式衰减，能量最终向低频带集中。
为解决边坡与下穿近接隧道协同爆破施工安全难题，结合某石油储备基地扩建项目，运用量纲推导、现场实验与信号分析相结合的方法，构建考虑高程影响的振动峰值速度公式，研究隧道爆破振动能量沿坡面的衰减机制。结果显示，边坡同台阶边沿处质点振速峰值大于坡脚处，坡面局部存在振动速度高程放大效应；引入相对坡度H/D的爆破振动模型对坡面质点振速预测精度高，可反映边坡角对高程放大效应的影响；振动速度及能量沿坡面均呈现出近区衰减快、远区衰减慢的传播特性，同时隧道爆破振动能量集中分布在0～300 Hz范围的多个子振频带，且高频能量沿坡面衰减更快，能量卓越频带中值以指数形式衰减，能量最终向低频带集中。
2020, 40(7): 075202.
doi: 10.11883/bzycj-2019-0427
摘要:
深部岩体爆破破岩是爆炸荷载与高地应力共同作用的结果。基于一些简化假设，建立了一个高地应力岩体双孔爆破计算模型，采用光滑粒子流体力学-有限元方法耦合数值模拟方法，研究了高地应力作用下炮孔间裂纹的传播及贯通过程，分析了炮孔周围应力场动态演化过程与分布特征。研究结果表明：爆破引起的岩体开裂主要是环向动拉应力所致，地应力对岩体的压缩降低了炮孔周围环向动拉应力、缩短了环向动拉应力的作用时间，因而对爆炸致裂起抑制作用；静水地应力条件下多孔爆破时，垂直于炮孔连线方向传播的爆生裂纹更易受到地应力的抑制；对于高地应力岩体爆破，炮孔间的裂纹扩展长度随地应力水平的提高而减小，裂纹主要沿最大主应力方向扩展，因此沿最大主应力方向布置炮孔、缩短炮孔间距有利于炮孔间裂纹的连接贯通，形成良好的爆破开挖面。
深部岩体爆破破岩是爆炸荷载与高地应力共同作用的结果。基于一些简化假设，建立了一个高地应力岩体双孔爆破计算模型，采用光滑粒子流体力学-有限元方法耦合数值模拟方法，研究了高地应力作用下炮孔间裂纹的传播及贯通过程，分析了炮孔周围应力场动态演化过程与分布特征。研究结果表明：爆破引起的岩体开裂主要是环向动拉应力所致，地应力对岩体的压缩降低了炮孔周围环向动拉应力、缩短了环向动拉应力的作用时间，因而对爆炸致裂起抑制作用；静水地应力条件下多孔爆破时，垂直于炮孔连线方向传播的爆生裂纹更易受到地应力的抑制；对于高地应力岩体爆破，炮孔间的裂纹扩展长度随地应力水平的提高而减小，裂纹主要沿最大主应力方向扩展，因此沿最大主应力方向布置炮孔、缩短炮孔间距有利于炮孔间裂纹的连接贯通，形成良好的爆破开挖面。
