单个弹丸撞击316L不锈钢引起的变形场

杨诗婷; 邢永明; 赵燕茹; 郝贠洪; 李继军; 姜爱峰

doi:10.11883/1001-1455(2017)01-0126-08

单个弹丸撞击316L不锈钢引起的变形场

doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0126-08

1.
内蒙古工业大学理学院, 内蒙古呼和浩特 010051
2.
内蒙古工业大学土木工程学院, 内蒙古呼和浩特 010051

基金项目:

国家自然科学基金项目 11162011

国家自然科学基金项目 11562016

教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目 20121514130001

内蒙古自然科学基金项目 2013MS0107

内蒙古工业大学基金项目 x201415

详细信息

作者简介:
杨诗婷(1981—)，女，博士研究生，讲师

通讯作者:
邢永明，xym@imut.edu.cn

中图分类号: O343.3
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出版历程
- 收稿日期: 2015-06-16
- 修回日期: 2015-12-23
- 刊出日期: 2017-01-25

Deformation field in 316L stainless steel by single shot peening

1.
School of Science, Inner Mongolia University of Technonogy, Hohhot 010051, Inner Mongolia, China
2.
School of Civil Engineering, Inner Mongolia University of Technonogy, Hohhot 010051, Inner Mongolia, China

摘要

摘要: 运用金属材料表面纳米化试验机对单个弹丸撞击316L不锈钢表面进行了撞击实验；采用激光共聚焦显微镜观察了弹坑的三维形貌，测量不同振动频率下弹坑的直径及离面位移；采用云纹干涉法对弹坑周围的面内应变场进行测量，并分析振动频率及撞击方式对弹坑尺寸、塑性应变大小以及塑性应变区范围的影响；采用有限元方法对单个弹丸垂直撞击试件表面的应变场进行数值模拟，与实验结果进行比较，分析了弹坑周围残余应力的分布。结果表明：随振动频率的增加，弹坑直径和离面位移都增加，频率在50~55Hz，弹坑直径有突变，离面位移和振动频率呈线性关系；振动频率越大，塑性应变越大，塑性应变分布范围均大于弹坑直径的2倍；同一振动频率下弹丸垂直撞击比倾斜撞击的塑性应变大，而塑性应变分布范围相差不大；面内残余应变场的数值模拟结果和实验结果吻合较好，最大误差小于10%。
- 固体力学 /
- 变形场 /
- 云纹干涉法 /
- 316L不锈钢 /
- 激光共聚焦显微镜 /
- 弹丸撞击
Abstract: The experiment of the single shot impacting the 316L stainless steel surface was carried out using a surface nano-crystallization testing machine. Three-dimensional morphology of the dimple was observed with a laser scanning confocal microscope, and the dimple's diameter and off-plane displacement in different vibration frequencies were also measured. The in-plane strain around the dimple was measured by moiré interferometry. The effect of the vibration frequency and the way of impacting on the dimple size, the plastic strain size and the plastic strain zone were also analyzed. In comparison with the experimental result, the strain field was simulated using the finite element method, and the distribution of the residual stress around the dimple was also analyzed. The result showed that the crater diameter and the off-plane displacement increases with the increase of the vibration frequency. When the frequency is from 50 to 55 Hz, the crater diameter experiences mutations. When the shot impacts the surface vertically, the greater the vibration frequency, the greater the plastic strain and plastic strain zone, and the plastic strain zone are two times larger than the crater diameter. The plastic strain by the vertical impact is slightly greater than the plastic strain by the oblique impact, but it has little effect on the plastic strain zone. The experimental U field strain is in fairly good agreement with the numerical simulation result, and the maximum error is less than 10%.
- solid mechanics /
- deformation field /
- Moiré interferometry /
- 316L stainless steel /
- laser scanning confocal microscope /
- shot impact

HTML全文

巷道掘进爆破中，一般只有一个自由面，所受夹制作用较大，通常会留有空孔为岩石破碎提供补偿空间^[1]。而空孔数目、间距等参数是提高掘进进尺和掏槽取得成功的关键。目前一致认可的是补偿空间越大，掏槽效果越好，即增加空孔数量或空孔直径，然而大的补偿空间需要牺牲的是钻孔成本。那么，如何让有限的空孔实现最佳的爆破空间补偿效果，是掏槽爆破研究的热点问题。

就掏槽爆破参数优化问题，主要从数值模拟、现场实验等方面进行了研究。Li等^[2]利用数值模拟手段验证了中空孔应力集中效应的存在；Zhang等^[3]提出了掏槽爆破的一种先进的掏槽抛片（CCFT）概念；Sui等^[4]研究了无限岩体在有自由面条件下裂纹扩展过程；单仁亮等^[5]模拟研究了不同空孔孔径的直眼掏槽爆破效果，得出孔径对掏槽爆破的效果和振动均有重要影响；汪海波等^[6]认为增大空孔直径可提高应力峰值和延长作用时间，空孔周围峰值为无空孔时的2.2倍；Li等^[7]利用数值模拟手段研究得出两空孔间距越短，止裂作用越强，当两孔间距小于一定值时，可完全阻止外向裂纹；钟波波等^[8]利用数值模拟方法，分析得出空孔有导向作用，且与空孔大小无明显相关；材料的非均匀性，对裂纹的扩展方式有显著影响；张召冉等^[9]针对含空孔直眼掏槽参数确定没有可靠依据的问题，提出了动态碎胀系数的概念；Gao等^[10]采用ANSYS/LS-DYNA软件对不同侧压力系数的复杂五孔掏槽爆破进行二维优化模拟研究，结果表明，设置延迟爆轰和孔径以及优化炮眼间距可以优化破岩效果；柴修伟等^[11]利用数值模拟软件LS-DYNA模拟了不同数量的空孔情况下裂纹扩展情况。

鉴于以上研究成果，本文以在研的矿山巷道掏槽爆破掘进效率优化项目为依托，选择双大直径空孔（孔径100 mm）、侧向两孔起爆的掏槽方案，研究同等起爆条件下大直径空孔距离对掏槽槽腔断面大小的影响，以期确定最优的掏槽布孔方式，保证矿山巷道掘进进尺的同时，减少空孔钻凿数量。

1. 掏槽爆破的空孔效应

1.1 空孔的自由面作用

起爆后，冲击波随着传播的距离不断衰减，应力也不断下降，逐渐变为压缩波，当压缩波传到空孔孔壁会反射形成拉伸波，与应力波传到自由面的作用相同，因此空孔充当了自由面的作用，有利于岩石破碎。

根据动量守恒定律可推出^[12]：

$\sigma = \rho {c_{\text{p}}}{v_{\text{p}}}$

(1)

$\tau = \rho {c_{\text{s}}}{v_{\text{s}}}$

(2)

式中：σ为纵波应力，MPa；τ为横波应力，MPa；ρ为岩石密度，kg/m³；c_p为纵波波速，m/s；c_s为横波波速，m/s；v_p和v_s分别为质点在波的传播方向和垂直与波的传播方向上的运动速度，m/s。

1.2 空孔的应力集中作用

力学计算和实验研究表明：当应力波传到空孔孔壁时，将产生反射拉应力波并在空孔附近形成拉应力区，最大拉应力峰值将出现在的两孔连心线方向上^[13-14]。因此，空孔具有应力集中作用^[6]。在某测点的径向压应力峰值为：

${\sigma _{r\max }} = {p_0}{\left( {\frac{r}{{{r_0}}}} \right)^{ - a}}$

(3)

式中：σ_rmax为某点的爆炸径向应力，MPa；p₀为孔壁初始应力峰值，MPa；r₀为炮孔半径，m；r为某点到炮孔距离，m；a为应力波衰减指数。

切向拉应力峰值可通过径向压应力峰值得到：

${\sigma _{\theta \max }} = b{\sigma _{r\max }}$

(4)

式中：b为系数，在爆炸近区b≈1，b值与应力波传播距离成反比，并逐渐趋于稳定。

${\sigma _{\theta \max }} = \frac{\mu }{{1 - \mu }}{\sigma _{r\max }}\qquad b = \frac{\mu }{{1 - \mu }}$

(5)

式中：μ为岩石泊松比。

耦合装药时，孔壁初始应力峰值为^[15-16]：

${p_0} = \frac{1}{4}{\rho _{\text{e}}}D_0^2\frac{{2{\rho _{\text{m}}}{c_{\text{p}}}}}{{{\rho _{\text{e}}}{D_0} + {\rho _{\text{m}}}{c_{\text{p}}}}}$

(6)

式中：ρ_e、ρ_m分别为炸药和岩石密度，kg/m³；D₀为爆速，m/s；c_p为纵波波速，m/s。

计算可得到某一点切向拉应力峰值σ_θmax，若切向拉应力峰值σ_θmax大于岩石的动态抗拉强度σ_θ，即满足岩石拉裂破坏条件，岩石破碎。

1.3 空孔的卸压作用

在复杂地压下，根据厚壁圆筒理论，爆炸与原岩应力场耦合为：

$\sigma '_{rr} = \frac{1}{2}\left( {{\sigma _{\text{h}}} + {\sigma _{\text{v}}}} \right)\left( {1 - \frac{{r_0^2}}{{{r^2}}}} \right) + \frac{1}{2}\left( {{\sigma _{\text{h}}} - {\sigma _{\text{v}}}} \right)\left( {1 - \frac{{4r_0^2}}{{{r^2}}} + \frac{{3r_0^4}}{{{r^4}}}} \right)\cos 2\theta + {p_0}{\left( {\frac{{{r_0}}}{r}} \right)^2}$

(7)

$\sigma '_{r\theta } = \frac{1}{2}\left( {{\sigma _{\text{h}}} + {\sigma _{\text{v}}}} \right)\left( {1 + \frac{{r_0^2}}{{{r^2}}}} \right) - \frac{1}{2}\left( {{\sigma _{\text{h}}} - {\sigma _{\text{v}}}} \right)\left( {1 + \frac{{3r_0^4}}{{{r^4}}}} \right)\cos \left[ 2\left( {\frac{{\text{π}} }{2} - \theta } \right)\right] - {p_0}{\left( {\frac{{{r_0}}}{{{r_{}}}}} \right)^2}$

(8)

式中： $\sigma '_{rr}$ 、 $\sigma'_{r\theta }$ 分别为计算点的耦合径向和切向应力，MPa；σ_h、σ_v分别水平和垂直地应力，MPa； $\theta$ 为点和炮孔中心连线与水平方向的夹角，r为点到炮孔距离，m。

若σ_h=σ_v=0（即无地压情况），则

$\sigma'_{rr} = {p_0}{\left( {\frac{{{r_0}}}{{{r_{}}}}} \right)^2}$

(9)

$\sigma '_{r\theta } = - {p_0}{\left( {\frac{{{r_0}}}{{{r_{}}}}} \right)^2}$

(10)

空孔使炮孔在径向的抵抗线要远小于轴向的抵抗线，因此，破碎岩体在爆生气体的推动作用下，优先向空孔方向移动，空孔提供的空间可以消掉一定的碎胀压力，有利于岩石抛掷出腔，即空孔的卸压作用。

由上文可知，大直径空孔直眼掏槽机理是应力集中、自由面、空孔的卸压作用共同作用的结果。当爆炸气体产生时，空孔起到自由面作用，为破碎岩体提供一定的碎胀空间，有利于破碎岩体在爆生气体的推动作用下抛出，形成槽腔，即实现空孔卸压作用。下文利用数值模拟手段研究双空孔间距对爆破效果的影响。

2. 数值分析模型的建立

2.1 模型尺寸及试验方案

(1) 补偿空间理论

补偿空间应满足矿岩碎胀后所需要的体积，不然就会发生挤死的现象，从而影响爆破效果。其应满足如下关系式：

${S_1} \times K {\text{≤}} {S_1} + {S_2} + {S_3}$

(11)

式中：S₁为预爆岩体面积；S₂为空孔面积；S₃为装药孔面积；K 为岩石碎胀系数，K =1.5。

根据图1，可推导出装药孔与空孔距离的关系：

图 1 装药孔与空孔的距离关系

Figure 1. Distance between charge hole and empty hole

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$\left( {L\frac{{D + d}}{2} - \frac{{{\text{π}} {D^2}}}{8} - \frac{{{\text{π}} {d^2}}}{8}} \right)K {\text{≤}} \frac{{D + d}}{2}L + \frac{{{\text{π}} {D^2}}}{8} + \frac{{{\text{π}} {d^2}}}{8}$

(12)

$L {\text{≤}} \frac{{\text{π}} }{4} {\frac{{\left( {{D^2} + {d^2}} \right)\left( {K + 1} \right)}}{{\left( {D + d} \right)\left( {K - 1} \right)}}}$

(13)

式中：L为空孔与装药孔的距离；d为装药孔直径；D为空孔直径。计算得到L<32.7 cm。

(2) 炮孔偏斜理论

为防止炮孔间贯穿，需要满足：

$L {\text{＞}} \frac{{D + d}}{2} + 2H\sin a$

(14)

式中：H为炮孔深度，a为炮孔偏斜度。

现场使用KJ311型全液压掘进钻车，炮孔偏斜角度在1°以内，经计算得：L>18.9 cm。所以装药孔与空孔之间的距离范围为：18.9 cm<L<32.7 cm。

运用ANSYS/LSDYNA建立有限元二维模型，模型尺寸为4000 mm×4000 mm，边缘定义为无反射边界，装药炮孔直径为50 mm，大直径空孔直径为100 mm，装药方式为耦合装药。沿模型中心横向设置两个装药炮孔，同时起爆，孔距为40 cm，两空孔按模型中心竖向布置，空孔孔距用d_v表示，通过上式计算装药孔与空孔之间孔距18.9 cm<L<32.7 cm。根据勾股定理原则可计算出d_v最大为51.7 cm，本文将空孔孔距d_v设置为15、25、35、45和55 cm，定义两空孔连心线的中点为P，各炮孔位置及模型网格划分如图2所示。

图 2 炮孔布置及二维模型网格划分图

Figure 2. Layout of blast holes and meshing of the two-dimensional model

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2.2 岩石模型

结合相关文献，本岩石模型选用更加适合岩体的爆炸冲击数值模拟的HJC本构模型^[17-18]。根据大红山铜矿试验区域参数^[19]，确定HJC本构模型中的矿岩参数见表1。

表 1 大红山大理岩HJC本构模型参数

Table 1. Dahongshan marble HJC constitutive model parameters

ρ₀/(kg·m⁻³)	ƒ_c/MPa	A	B	C	S_max	G	T	D₁	D₂
2941	70.59	0.52	1.17	0.0163	4	22.27	7.68	0.036	1

p_crush/MPa	µ_crush	p_lock/GPa	µ_plock	K₁	K₂	K₃	E_Fmin	N	F_S
23.65	0.00076	0.159	0.012	13	23	60	0.01	0.79	0.085
注：ρ₀为岩石密度，ƒ_c为静态单轴抗压强度，T为岩石最大拉应力，A为无量纲粘性强度系数，B为无量纲压力硬化系数，C为应变率系数，N为压力硬化指数，S_max为最大无量纲的等效应力，D₁、D₂为损伤常数，E_Fmin为岩石最小塑性应变，µ_crush为等效塑性应变增量，µ_plock塑性体积应变增量，K₁、K₂和K₃分为压力常数，p_lock为压实后的静水压力，p_crush为弹性极限时静水压力值，G为剪切模量，F_S失效参数。

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2.3 炸药模型参数及状态方程

矿山作业使用的是1号岩石乳化炸药，选用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型，采用EOS_JWL状态方程模拟炸药状态^[20-21]

${p_1} = {A_1}\left( {1 - \frac{\omega }{{{R_1}V}}} \right){{\rm{e}}^{ - {R_2}V}} + {B_1}\left( {1 - \frac{\omega }{{{R_2}V}}} \right){{\rm{e}}^{ - {R_2}V}} + \frac{{\omega {E_0}}}{V}$

(15)

式中：p₁为爆轰产物内部压力，V为相对体积，A₁、B₁、R₁、R₂和ω为炸药相关常数，E₀为初始比内能。

本文采用的炸药模型参数见表2。

表 2 炸药的状态方程参数

Table 2. HJC constitutive model parameters of explosive

ρ₁/（g·cm⁻³）	D₀/（m·s⁻¹）	A₁/GPa	B₁/GPa	R₁	R₂	ω
1.3	4500	214.4	0.182	4.2	0.9	0.15
注：D₀为炸药爆速。

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3. 数值计算结果及分析

3.1 爆破应力场分布情况

为了研究双空孔对直眼掏槽爆炸应力场的影响，模拟试验设置两个垂直掏槽孔装药起爆，炮孔直径50 mm，空孔直径100 mm，仅改变双空孔孔距，得到d_v=15 cm、d_v=25 cm、d_v=35 cm、d_v=45 cm和d_v=55 cm五种情况下不同时刻的等效压力云图，见图3～图7，P点处应力时程曲线如图8所示。

图 3 当d_v=15 cm时模型压力云图

Figure 3. Pressure contours of the model when d_v=15 cm

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图 4 当d_v=25 cm时模型压力云图

Figure 4. Pressure contours of the model when d_v=25 cm

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图 5 当d_v=35 cm时模型压力云图

Figure 5. Pressure contours of the model when d_v=35 cm

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图 6 当d_v=45 cm时模型压力云图

Figure 6. Pressure contours of the model when d_v=45 cm

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图 7 当d_v=55 cm时模型压力云图

Figure 7. Pressure contours of the model when d_v=55 cm

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图 8 P点处的应力时程曲线

Figure 8. Stress time history curve at point P

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分析压力云图可知：在应力波到达空孔前，五种模型压力云图的应力峰值基本一致；在应力波传播至空孔附近时，可明显观察出两空孔连线方向出现应力集中现象，应力波传播到中心P点处时两炮孔产生的应力波相互叠加，应力波在空孔壁形成反射拉伸波，随后出现不同的应力波叠加扰动，直至传播出视野。

通过观察不同d_v模型P点处的应力时程曲线可以看出：受到的压应力峰值均为217 MPa，d_v=15 cm、d_v=25 cm、d_v=35 cm、d_v=45 cm 、d_v=55 cm 时P点处拉应力峰值分别为197、180、165、160和156 MPa；即d_v由15 cm增大到25 cm，拉应力峰值减小8.62%；d_v由25 cm增大到35 cm，拉应力峰值减小8.3%；d_v由35 cm增大到45 cm，拉应力峰值减小3.03%；d_v由45 cm增大到55 cm，拉应力峰值减小0.25%。说明d_v越小，P点受到的反射拉应力越大，这跟空孔自由面的距离有关。

3.2 岩石损伤破坏情况

只考虑双大直径空孔间距对爆破效果的影响时，空孔间距越小，P点处受到的拉应力峰值越大，中心岩体越容易破坏。为方便研究槽腔断面破坏情况，在k文件中添加*MAT_ADD_EROSION关键字^[11]，设定压力强度大于本文实际岩石力学参数，即单轴抗压、单轴抗拉、变形模量等时，模拟岩体的损伤与破坏，如图9～图13所示。

图 9 d_v=15 cm时损伤破坏图

Figure 9. Damage failure diagram when d_v=15 cm

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图 10 d_v=25 cm时损伤破坏图

Figure 10. Damage failure diagram when d_v=25 cm

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图 11 d_v=35 cm时损伤破坏图

Figure 11. Damage failure diagram when d_v=35 cm

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图 12 d_v=45 cm时损伤破坏图

Figure 12. Damage failure diagram when d_v=45 cm

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图 13 d_v=55 cm时损伤破坏图

Figure 13. Damage failure diagram when d_v=55 cm

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如图9所示，d_v=15 cm时，空孔距离太近，补偿空间导向作用不明显；当 d_v=25 cm时（图10），在t=0.05 ms时，装药孔周围岩石单元受压破坏，应力波刚刚达到空孔壁，在t=0.1 ms时应力波持续向外传播，装药孔周围岩石破坏向外扩展，空孔壁处应力波发生反射开始受拉破坏，出现空孔导向现象，使空孔与以破坏单元连接形成初步槽腔轮廓，在t=0.15 ms时，两装药孔与空孔之间完全贯穿，在t=0.2 ms时，槽腔轮廓面基本形成，直至0.25 ms时刻破坏终止。

当 d_v=35 cm时（图11），炮孔周围裂纹发展更加充分，同时反射应力波对岩石的拉伸破坏减小，爆破后得到的槽腔轮廓面积较d_v=25 cm时有所增大，中心区域虽有少量岩体，但基本贯通形成槽腔轮廓面。

当d_v=45 cm时（图12），由0.25 ms时刻损伤破坏图可以看出两装药孔之间基本贯穿，但槽腔外断面仍存在大量未失效单元，说明掏槽区域仍有大量岩体存留，若应用于现场能会出现补偿空间不够的情况，不能保证掏槽效果；当d_v=55 cm时（图13），空孔距离太大，爆生裂纹无法贯穿，无法形成有效槽腔。

岩石破碎区域若存在宽度为1单元的细长区域，即将该区域判定为裂隙，统计破碎区域面积时不计入统计。对模拟结果得到的槽腔外断面进行提取，即CAD等比例绘图计算，得到图14。根据图14可知，d_v=15 cm模型爆破后形成槽腔断面宽度为63.03 cm，形成的槽腔断面积为0.1641 m²；d_v=25 cm模型爆破后形成槽腔断面宽度为68.6 cm，形成的槽腔断面积为0.2116 m²；d_v=35 cm模型爆破后形成的槽腔断面为67.4 cm，形成的槽腔断面面积为0.2436 m²；d_v=45 cm模型爆破后槽腔断面内存在大量未失效岩石单元，面积为0.1740 m²，d_v=55 cm模型爆破后形成槽腔断面宽度为62.27 cm，高度仅为16.65 cm，形成的槽腔断面积为0.0951 m²。可见双空孔方案中d_v由15 cm增加到25 cm时，形成的槽腔断面增大了28.94%；d_v由25 cm增加到35 cm时，槽腔断面增大15.1%；但当d_v由35 cm增加到45 cm时，槽腔面积为0.1740 m²，形成的槽腔断面减小了17.8%；d_v增大到55 cm时，槽腔面积为0.0951 m²，形成的槽腔断面减小了45.3%；即槽腔面积随空孔间距的增大先增加后减小，d_v=35 cm时槽腔面积最大，确定为现场验证方案。

图 14 炸后槽腔外断面

Figure 14. The external section of the explosion cavity after explosion

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4. 爆破现场验证

4.1 炮孔布置

试验地点为大红山铜矿285中段、370水平，根据大红山铜矿已有资料显示，矿岩主要为大理岩，岩石力学参数见表1。装药孔直径为50 mm，空孔直径为100 mm，孔深为3.2 m。由于上述模拟得出d_v=35 cm时形成的槽腔断面最大，故对d_v=35 cm方案进行现场验证。掏槽区域炮孔布置方案如图2（c）所示。炸药为1号岩石乳化炸药，采用耦合装药，孔底起爆；所有炮孔均用炮泥填塞，炮泥长度为0.6 m。两个装药孔共需要1号岩石乳化炸药3.2 kg。

4.2 爆破成腔效果及分析

通过数值模拟计算分析，选择空孔间距d_v=35 cm，两装药孔距离40 cm的掏槽方案进行现场试验,具体试验结果见表3，由于篇幅原因本文只对2号试验爆破后形成的槽腔进行分析，如图15所示。由于未进行全断面开挖爆破，实际上形成锥台型槽腔，测量槽腔底部断面宽度与高度并绘制槽腔断面轮廓，以此计算槽腔面积，并与模拟结果对比，如图16。现场试验槽腔断面宽度比模拟结果小4.0%，槽腔断面高度比模拟结果小3.4%，槽腔断面积比模拟结果小4.98%，多次现场试验与模拟结果误差均在5%以内。

表 3 现场试验结果

Table 3. Field test results

试验	高度/cm	宽度/cm	面积/m²	模拟面积误差/%
1	46.6	63.9	0.2491	2.26
2	42.5	64.7	0.2315	-4.98
3	42.1	66.3	0.2392	−1.8
4	51.5	62.7	0.2554	4.84

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图 15 现场掏槽爆破槽腔断面图

Figure 15. Cross-sectional view of the cavity of the on-site cutting blasting cavity

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图 16 现场断面与模拟结果对比

Figure 16. Comparison of the site section with the simulation results

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5. 结　论

以大红山铜矿地下某巷道为试验场地，并根据围岩力学性质和实际爆破条件进行数值模拟计算对比分析，得到如下结论：

(1) 两等间距掏槽孔同时起爆条件下，掏槽区域中心点的压应力峰值不变，反射拉应力峰值随着大直径空孔间距的增加而减小；

(2) 当空孔间距d_v为15 cm、25 cm、35 cm、45 cm、55 cm时，模拟所得槽腔面积分别为0.1641 m²、0.2116 m²、0.2436 m²、0.1740 m²、0.0951 m²，表明存在一个最佳的空孔间距；

(3) 模拟预测的槽腔断面宽度、高度、断面积分别比现场试验结果大4.0%、3.4%和4.98%，多次现场试验与模拟结果误差均在5%以内，说本文预测爆破槽腔断面积的数值模拟方法具有一定可靠性。

因此，可进一步将此数值模拟方法从二维拓展至三维，研究不同掏槽方式下的成腔体积并选择性开展现场试验验证，以期找到预测地下巷道掏槽爆破成腔效果的数值方法。

图 1 喷丸处理原理图

Figure 1. Schematic diagram of shot peening

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图 2 光学显微镜下的正交光栅图

Figure 2. Orthogonal grating figure in optical microscope

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图 3 有限元模型

Figure 3. Finite element model

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图 4 弹丸撞击试件的变形示意图

Figure 4. Schematic diagram of deformation after shot impact substrate

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图 5 频率为50 Hz时弹坑的三维形貌图

Figure 5. Three-dimensional topography of crater at frequency of 50 Hz

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图 6 振动频率和弹坑直径之间的关系

Figure 6. Relation between frequency and crater diameter

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图 7 振动频率和弹坑离面位移之间的关系

Figure 7. Relation between frequency and off-plate displacement

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图 8 不同频率下弹坑周围U场云纹图

Figure 8. Contour maps in U-displacement at different frequencies

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图 9 不同频率下弹坑周围V场云纹图

Figure 9. Contour maps in V-displacement at different frequencies

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图 10 不同频率时U场应变分布

Figure 10. Strain distribution in U-displacement at different frequencies

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图 11 不同频率下U场和V场的应变分布规律

Figure 11. Strain distribution regularities in U-displacement and V-displacement at different frequencies

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图 12 弹丸垂直撞击和倾斜撞击时相同频率下U场云纹图

Figure 12. Contour maps in U-displacement at same frequency under vertical or oblique impact

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图 13 相同撞击频率不同撞击角度时应变变化规律

Figure 13. Strain regularities at the same impact frequency and the different impact angles

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图 14 x方向应变沿y方向变化规律

Figure 14. Change of strain regularity in x direction along the y direction

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图 15 标准化横向残余应力沿深度方向分布的数值模拟

Figure 15. Simulation of normalized transverse residual stress versus depth

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参考文献(18)

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施引文献

期刊类型引用(11)

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1. 掏槽爆破的空孔效应
1.1 空孔的自由面作用
1.2 空孔的应力集中作用
1.3 空孔的卸压作用
2. 数值分析模型的建立
2.1 模型尺寸及试验方案
2.2 岩石模型
2.3 炸药模型参数及状态方程
3. 数值计算结果及分析
3.1 爆破应力场分布情况
3.2 岩石损伤破坏情况
4. 爆破现场验证
4.1 炮孔布置
4.2 爆破成腔效果及分析
5. 结　论

1. 掏槽爆破的空孔效应
1.1 空孔的自由面作用
1.2 空孔的应力集中作用
1.3 空孔的卸压作用
2. 数值分析模型的建立
2.1 模型尺寸及试验方案
2.2 岩石模型
2.3 炸药模型参数及状态方程
3. 数值计算结果及分析
3.1 爆破应力场分布情况
3.2 岩石损伤破坏情况
4. 爆破现场验证
4.1 炮孔布置
4.2 爆破成腔效果及分析
5. 结　论

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单个弹丸撞击316L不锈钢引起的变形场

doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0126-08

作者简介: 杨诗婷(1981—)，女，博士研究生，讲师

通讯作者: 邢永明，xym@imut.edu.cn

计量

出版历程

Deformation field in 316L stainless steel by single shot peening

1. 掏槽爆破的空孔效应

1.1 空孔的自由面作用

1.2 空孔的应力集中作用

1.3 空孔的卸压作用

2. 数值分析模型的建立

2.1 模型尺寸及试验方案

2.2 岩石模型

2.3 炸药模型参数及状态方程

3. 数值计算结果及分析

3.1 爆破应力场分布情况

3.2 岩石损伤破坏情况

4. 爆破现场验证

4.1 炮孔布置

4.2 爆破成腔效果及分析

5. 结 论

期刊类型引用(11)

其他类型引用(4)

计量

出版历程

目录

1. 掏槽爆破的空孔效应

1.1 空孔的自由面作用

1.2 空孔的应力集中作用

1.3 空孔的卸压作用

2. 数值分析模型的建立

2.1 模型尺寸及试验方案

2.2 岩石模型

2.3 炸药模型参数及状态方程

3. 数值计算结果及分析

3.1 爆破应力场分布情况

3.2 岩石损伤破坏情况

4. 爆破现场验证

4.1 炮孔布置

4.2 爆破成腔效果及分析

5. 结 论

作者简介:
杨诗婷(1981—)，女，博士研究生，讲师

通讯作者:
邢永明，xym@imut.edu.cn

5. 结　论

5. 结　论