SHPB测试中岩石试件应力均匀性分析研究.docx

? ? SHPB测试中岩石试件应力均匀性分析研究 ? ? 刘 鑫， 郭连军， 张大宁， 徐振洋， 郭 浩 (1. 辽宁科技大学 a. 矿业工程学院， b. 土木工程学院, 辽宁鞍山 114051；2. 辽宁省冶金地质勘察局四零三队， 辽宁鞍山 114021) ? SHPB测试中岩石试件应力均匀性分析研究 刘 鑫1a， 郭连军1b， 张大宁1a， 徐振洋1a， 郭 浩2 (1. 辽宁科技大学 a. 矿业工程学院， b. 土木工程学院, 辽宁鞍山 114051；2. 辽宁省冶金地质勘察局四零三队， 辽宁鞍山 114021) Summary：对花岗岩、千枚岩、磁铁石英岩三种岩石进行SHPB应力均匀性试验测试，研究表明：试件内达到应力均匀时间介于弹塑性状态假设条件下试件内达到应力均匀时间之间，且试件内达到应力均匀时间与二者的平均值具有一定的相关性。试验中子弹的冲击速度在一定范围内，能够使三种岩石满足应力均匀性的要求，且在断裂应变达到1%之前均有较长的恒应变率时间段。 Key：SHPB； 应力均匀性； 冲击速度； 岩性； 断裂应变； 恒应变率 1引 言 分离式霍普金森压杆自Kolsky〔1〕发明以来，并在材料动态力学行为研究方面不断改进的基础上，现已成为研究材料在高应变率条件下动态特性的一种试验装置。SHPB试验装置是以两个基本假定〔2〕为前提的：压杆的一维应立波假定和试件应力均匀性假定。近年来，SHPB试验技术被应用于爆破等工程领域〔3-4〕，但由于岩石类脆性材料不同于大多数金属类材料，岩石试件可能在加载结束之前就发生了断裂破坏，所以评估岩石类脆性材料满足试验的应力均匀性假定，是利用SHPB试验装置研究岩石类脆性材料动态行为的前提。 本文利用φ50mm的SHPB装置系统，通过应力均匀性控制理论计算出岩石试件达到应力均匀性的时间，从而分析研究花岗岩、千枚岩、磁铁石英岩三种岩石试件的动态冲击试验达到应力均匀性时间的差异以及运用弹塑性状态假设，计算达到应力均匀性时间的均值与达到应力均匀性时间的关系。 2应力均匀性控制理论 2.1弹性状态假设 SHPB试验中，弹性应力波在不同波阻抗的压杆和试件中传播时，将会在压杆和试件交界面上发生透、反射。若令试件两个端面的应力差为αk，弹性应力波在试件与压杆界面间的透、反射次数为k，试件和压杆的波阻抗比β=(ρScSAS)/(ρBcBAB)，其中ρS，cS，AS和ρB，cB，AB分别为试件和压杆材料的密度、弹性纵波波速和截面积。 在弹性状态假设条件下〔5-6〕，应力差αk、应力波透、反射次数k、波阻抗比β三者可以建立如下关系： (1) 一般可近似认为αk≤5%时，试件达到了应力均匀假设的要求。当试件和压杆的材料确定以后，波阻抗比值β就是已知的，由此可以得到试样内应力均匀程度αk和应力波透射和反射次数k的关系式，从而描绘出αk和k的曲线图。 参照文献〔7-10〕 的方法，利用αk与k关系曲线确定k值大小，则在弹性状态假设条件下试件内达到应力均匀性要求的时间te为： te=kLS/c (2) 式中：LS为试件厚度;c是弹性波波速。 2.2塑性状态假设 一般在波传播过程中弹性先驱波后面跟着塑性波，若假设试件是在塑性状态下达到应力均匀性要求，试件达到应力均匀性要求时塑性波需要在试件内传播π次〔11〕，则在塑性状态假设条件下试件内达到应力均匀性要求的时间tp为： (3) 2.3应力均匀时间 由霍普金森试验装置系统的一维应力波假设可知，试件左侧端面的压力σL(t)和试件右端面的压力σR(t)为： (4) (5) 式中：EB是压杆的弹性模量；εi(t)是实测的入射波应变；εr(t)实测的反射波应变；εt(t)实测的透射波应变。 Ravichandran等〔7〕定义试件两个端面应力的差值与其平均值的比值α(t)为应力均匀度来度量试件的应力均匀性，则： (6) 一般α(t)-t曲线上存在较明显的转折点〔7〕，转折点之后的曲线上应力不均匀度数值小于转折点的应力不均匀度数值，并认为转折点的应力不均匀度数值所对应的时间t是满足应力均匀性要求的时间。 3试验分析 3.1试验应力均匀性分析 SHPB冲击试验时间应变率一般为102s-1～104s-1，岩石类脆性材料总体可以认为经历了4个阶段，弹性变形阶段、非线性变形阶段、很小的塑性变形阶段(或者不存在)和破坏阶段。试件内经历了复杂的应力波传播过程，按弹性状态假设计算的应力均匀时间是以理想的矩形波为基础，所以按弹性状态假设计算的应力均匀时间要比实际试验系统中试件达到应力均匀时间的值小。反之，按塑性状态假设计算的应力均匀时间要比实际试验系统中试件达到应力均匀时间的值大。那么，以弹塑性波传播为基础，根据上述假设条件，试件达到应力均匀性要求的时间t是介于te和tp之间，并与试件开始破坏