基于摆锤加载岩杆SHPB装置的充填体动态力学特性测试方法

牛雷雷 王聪 朱万成 骆柯 仝文慧

牛雷雷, 王聪, 朱万成, 骆柯, 仝文慧. 基于摆锤加载岩杆SHPB装置的充填体动态力学特性测试方法[J]. 爆炸与冲击. doi: 10.11883/bzycj-2023-0433
引用本文: 牛雷雷, 王聪, 朱万成, 骆柯, 仝文慧. 基于摆锤加载岩杆SHPB装置的充填体动态力学特性测试方法[J]. 爆炸与冲击. doi: 10.11883/bzycj-2023-0433
NIU Leilei, WANG Cong, ZHU Wancheng, LUO Ke, TONG Wenhui. Test method of dynamic mechanical properties of filling body based on pendulum-loaded rock bar SHPB device[J]. Explosion And Shock Waves. doi: 10.11883/bzycj-2023-0433
Citation: NIU Leilei, WANG Cong, ZHU Wancheng, LUO Ke, TONG Wenhui. Test method of dynamic mechanical properties of filling body based on pendulum-loaded rock bar SHPB device[J]. Explosion And Shock Waves. doi: 10.11883/bzycj-2023-0433

基于摆锤加载岩杆SHPB装置的充填体动态力学特性测试方法

doi: 10.11883/bzycj-2023-0433
基金项目: 国家重点研发计划(2022YFC2903903);国家自然科学基金(52374081, U1906208);黑龙江揭榜挂帅项目(2021ZXJ02A04-03)
详细信息
    作者简介:

    牛雷雷(1987- ),男,博士,副教授,niuleilei@mail.neu.edu.cn

    通讯作者:

    朱万成(1974- ),男,博士,教授,zhuwancheng@mail.neu.edu.cn

  • 中图分类号: O348.3

Test method of dynamic mechanical properties of filling body based on pendulum-loaded rock bar SHPB device

  • 摘要: 针对充填体试样SHPB(split Hopkinson pressure bar)试验测试中存在的透射波测量的难点问题,采用岩石长杆代替钢杆作为入射杆和透射杆的方法改进摆锤冲击加载SHPB试验系统,探讨了SHPB试验中黏弹性波的传播及波阻抗匹配问题;基于应力波在岩石杆件系统中的传播规律研究,定义了应力波在入射杆和透射杆上传播的黏性衰减系数、试样-岩杆界面的透反射衰减系数;基于Kelvin-Voigt模型,利用一维波动分析程序,得到了岩石杆件-充填体的波阻抗匹配系数与透反射衰减系数的关系;依据现场充填体特性、波阻抗匹配系数和透反射衰减系数,选取了四种岩石长杆改进摆锤冲击加载SHPB试验装置;利用一维波动分析程序,计算了岩杆的黏性系数、充填体和岩杆界面的应力和应变,分析了透射波的波形特征和信噪比,发现四种岩石与充填体波阻抗的匹配程度从好到差依次为绿砂岩、花岗岩、大理岩、玄武岩;建立了以绿砂岩为入射杆和透射杆的摆锤冲击加载SHPB试验系统,开展了充填体的动态冲击试验,验证了试样中的应力平衡。
  • 图  1  摆锤冲击加载 SHPB试验装置示意图

    Figure  1.  Diagram of pendulum hammer driven SHPB system

    图  2  应力波在杆件系统中传播

    Figure  2.  Stress wave propagation in the bars

    图  3  Kelvin-Voigt模型

    Figure  3.  Kelvin-Voigt model

    图  4  波阻抗匹配系数K与透反射衰减系数β的关系

    Figure  4.  Relationship between wave impedance matching coefficient K and transmission attenuation coefficient β

    图  5  改进的摆锤冲击加载SHPB试验系统

    Figure  5.  Modified pendulum hammer driven SHPB system

    图  6  岩石杆件

    Figure  6.  Rock bars

    图  7  相同冲击速度下的波形对比

    Figure  7.  Waveform comparison at similar impact velocity

    图  8  四种岩杆-充填体的信噪比与应变率的关系

    Figure  8.  Relationship between signal-to-noise ratio and strain rate of four rock bar-backfilling

    图  9  试样中应力平衡验证

    Figure  9.  Verification of stress equilibrium in specimen

    表  1  充填体的配比

    Table  1.   Material proportion of backfilling

    充填体
    骨料
    胶凝
    材料
    灰砂比 固体
    含量/%
    新城金矿的全尾砂 山金SC2020-C 1∶15 72
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    表  2  充填体的基本物理力学参数

    Table  2.   Basic mechanical parameters of backfilling

    密度/
    (g·cm−3
    波速/
    (m·s−1
    波阻抗/
    (kg·m−2·s−1
    抗压强度/
    MPa
    弹性模量/
    GPa
    1.86 1989.8 3.7×106 0.6 3.05
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    表  3  岩石杆的参数及模拟结果

    Table  3.   Parameters of the rock bars and simulation results

    材料 初始入射
    电压/mV
    岩石密度/
    (g·cm−3
    岩石波速/
    (m·s−1
    岩石杆波阻抗/
    (kg·m−2·s−1
    充填体波阻抗/
    (kg·m−2·s−1
    U1/
    mV
    U2/
    mV
    波阻抗匹配
    系数K
    透反射衰减
    系数β/%
    绿砂岩 9.10 2.470 3399.0 5.38×106 3.7×106 5.90 2.736 1.45 46.38
    黄砂岩[16] 2.182 2467.0 5.86×106 6.09 2.620 1.58 43.02
    花岗岩-Ⅰ[16] 2.561 2981.0 7.63×106 6.31 2.372 2.06 37.59
    玄武岩 2.979 5988.0 8.40×106 6.42 2.326 2.27 36.23
    灰砂岩[7] 2.571 3907.0 1.00×107 6.51 2.305 2.71 35.40
    红砂岩[16] 2.383 2457.0 1.16×107 6.55 2.163 3.14 33.03
    花岗岩-Ⅱ[16] 2.627 4425.0 1.24×107 6.72 1.995 3.34 29.69
    花岗岩-Ⅲ 2.880 4291.0 1.39×107 6.85 1.895 3.75 27.67
    玄武岩[16] 2.828 6360.0 1.43×107 6.79 1.705 3.85 25.11
    石灰岩[16] 2.716 6772.0 1.78×107 7.40 1.549 4.82 20.93
    大理岩 2.920 4754.5 1.80×107 7.32 1.450 4.86 19.81
    花岗岩-Ⅳ[7] 2.632 5415.0 1.84×107 7.30 1.265 4.97 17.33
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    表  4  岩石基本力学参数

    Table  4.   Basic mechanical parameters of the rock

    材料密度/(g·cm−3波速/(m·s−1波阻抗/(kg·m−2·s−1抗压强度/MPa抗拉强度/MPa弹性模量/GPa
    绿砂岩2.473399.178.396×10629.82.408.4
    花岗岩2.884290.931.236×10787.66.8226.3
    大理岩2.924754.501.388×10698.58.1230.0
    玄武岩2.985988.331.785×106182.515.2349.4
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    表  5  四种岩石杆件-充填体组合的动态力学参数

    Table  5.   Dynamic mechanical parameters of four rock bar-backfilling

    岩杆种类 黏性系数/
    (MPa·s)
    摆锤加载速度/
    (m·s−1
    应变率/s−1 波阻抗匹配
    系数K
    波阻抗/
    (kg·m−2·s−1
    电压幅值/V 透射波峰值/
    入射波峰值
    入射 反射 透射
    绿砂岩 1.00 2.57 47.95 2.269 8.396×106 0.553 0.507 0.045 0.16
    花岗岩 0.60 46.67 3.340 1.236×107 0.541 0.474 0.033 0.13
    大理岩 0.50 45.55 3.752 1.388×106 0.525 0.436 0.019 0.11
    玄武岩 0.30 48.76 4.823 1.785×106 0.520 0.436 0.013 0.10
    钢杆 0 46.69 0.634 0.619 0 0
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    表  6  信噪比与应变率的关系

    Table  6.   Relationship betweensignal-to-noise ratio and strain rate

    岩石杆件 应变率/s−1 信号电压/V 噪音电压/μV Rsn/dB
    绿砂岩 39.56 0.040 683 35.35
    47.95 0.045 667 36.59
    58.83 0.051 652 37.86
    67.21 0.060 663 39.08
    79.02 0.068 669 40.10
    花岗岩 35.62 0.029 646 32.96
    45.66 0.033 667 33.90
    54.32 0.038 652 35.31
    66.27 0.042 663 36.03
    77.27 0.047 669 36.93
    大理岩 33.22 0.015 652 26.94
    42.55 0.017 663 28.23
    55.79 0.023 667 30.84
    68.23 0.028 652 32.65
    79.36 0.032 669 33.59
    玄武岩 39.43 0.013 683 25.78
    48.76 0.016 667 27.66
    58.65 0.020 652 29.60
    69.27 0.023 663 30.65
    80.67 0.025 669 31.34
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-01
  • 修回日期:  2024-05-22
  • 网络出版日期:  2024-05-28

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