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    王志亮教授團隊在巖石動態損傷機理分析方面研究取得新進展

    2021/05/12

      在進行爆炸、沖擊等方面的顯式動力數值分析時,選取合適的材料本構模型是至關重要的。對于連續損傷本構模型,如Holmquist-Johnson-Cook(下簡稱HJC)模型和Riedel-Hiermaier-Thoma(下簡稱RHT),它們均能較好地描述巖石材料在高應變率和大變形下的力學特性。然而,每種本構均有其優劣及適用性,并且描述巖石材料裂紋擴展的方式有所不同。如果在開展數值分析時未能選取合適的本構模型和模擬方法,必然會對數值結果的精度產生影響。

      基于上述問題,王志亮教授課題組分別將HJC模型和RHT模型應用于巖石單次和循環爆破模擬中,通過與爆破試驗結果的對比,分析了每種本構模型的優劣及適用條件。相關研究發表在國際期刊《Computers and Geotechnics》(JCR Q1,IF=3.818)上。

    為了使兩種本構模型具有可比性,本研究基于同一組花崗巖試樣的試驗數據,確定了兩種本構的模型參數。在單次爆破模擬中,RHT模型能較好地描述炮孔附近粉碎區的形成和遠端徑向拉伸裂紋的擴展,并且其模擬結果與理論和試驗結果吻合較好。而HJC模型的損傷云圖僅能表征粉碎區的形成而無法描述徑向裂紋的演化(圖1)。為此,本工作對HJC模型進行了改進,引入了“最大拉應力+最大剪應變”的復合失效準則,使其能較好地模擬出單次爆破的裂紋擴展過程(圖2)。

    1 單次爆破模擬損傷云圖

    2 改進的HJC模型裂紋擴展過程

    3 循環爆破試驗與數值模擬結果對比

      基于課題組開展的室外循環爆破試驗,本研究進一步討論兩種本構模型在循環爆破模擬中的表現。在5g左右藥量下,花崗巖試樣在2次重復爆破后呈“十”字形開裂。RHT模型能再現巖樣在循環爆破荷載下的動態裂紋擴展過程,而HJC模型的模擬結果與試驗偏差較大,裂紋呈“一”字形擴展,并且試樣未完全破壞(圖3)。這是由于HJC模型引入了失效準則,其單元在失效后被刪除,導致了巖石模型能量損失,進而使爆炸應力波發生衰減。另外,本研究對比了其他藥量下的巖樣破壞形態,進一步驗證了上述結論。因此,在開展循環爆破數值模擬時,作者建議優先采用RHT本構模型。


    來源:合肥工業大學土木與水利工程學院道路橋梁工程系 

    文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2021.104172


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