爆破工程教学中材料动态力学性能实验及仿真实践_李胜林.pdf

第 40 卷第 2 期2023 年 6 月爆破BLASTINGVol 40No 2Jun 2023doi:10 3963/j issn 1001 487X 2023 02 031爆破工程教学中材料动态力学性能实验及仿真实践*李胜林，梁书锋，侯仕军(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)摘要:掌握岩石(体)在爆破动载作用下的动态力学响应是 爆破工程 课程的一项重要教学内容。由于土木或采矿类专业学生缺乏波动力学、岩石动力学等基础理论，采用讲授法讲解岩石动态力学特性的知识点时教学效果较差，影响后续的岩体破碎机理等内容的学习。为此，将岩石类材料的分离式霍普金森压杆实验(Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB)应用于 爆破工程 实践教学中，通过测定岩石动态压缩强度，观察试件破坏形态，引导学生理解岩石材料在不同应变率下的动态力学响应。运用有限元软件 LS-DYNA 对 SHPB 实验进行数值模拟，再现应力波传播和岩石破坏过程，达到动态冲击的演示功能。实践效果表明:这种教学方式使学生能够直观地感知应力波的传播过程，清晰地了解岩石动态破坏机理，掌握岩石类材料动态力学性能与应变率之间的关系，为进一步学习爆破工程理论奠定基础。关键词:爆破工程;实验教学;霍普金森压杆(SHPB);数值仿真中图分类号:TD8文献标识码:A文章编号:1001 487X(2023)02 0223 07收稿日期:2023 01 02作者简介:李胜林(1977 )，男，博士、副教授，从事工程爆破与岩石动力学方面的研究与教学工作，(E-mail)lsl cumtb edu cn。基金项目:国家自然科学基金资助项目(51374210、51574247);中央高校基本科研业务专项资金资助项目(2010QL05)Teaching Experiment and Simulation Practice of DynamicMechanical Properties of Materials in Blasting Engineering CourseLI Sheng-lin，LIANG Shu-feng，HOU Shi-jun(School of Mechanics and Civil Engineering，China University ofMining and Technology，Beijing 100083，China)Abstract:It is an important content in the course of Blasting Engineering to master the dynamic mechanicalresponse of rock(body)under the action of blasting dynamic load Since students majoring in civil or mining engi-neering lack basic theories such as wave mechanics and rock dynamics，the teaching effect is poor when the knowl-edge of dynamic mechanical properties of rock is explained in class，which will affect the subsequent learning of rockbreakage mechanism Therefore，the Split Hopkinson Pressure Bar(SHPB)experiment of rock materials is applied tothe practical teaching of“Blasting Engineering”By measuring the dynamic compression strength of rock samplesand observing the failure forms of specimens，students are guided to understand the dynamic mechanical response ofrock materials under different strain rates The finite element software LS-DYNA is also used to simulate the SHPBexperiment，and the process of stress wave propagation and rock failure is reproduced to achieve the demonstrationfunction of dynamic impact Practice shows that this teaching method enables students to intuitively perceive thestress wave propagation，clearly understand the dynamic failure mechanism of rock，master the relationship betweendynamic mechanical properties of rock materials and strain rate，and lay a foundation for further study of blasting en-gineering theoryKey words:blasting engineering;experimental teaching;Split Hopkinson Pressure Bar(SHPB);numericalsimulation钻爆法是矿山开采和路桥建设中广泛采用的技术手段之一。“爆破工程”因此成为多数高校的土木工程、采矿工程、安全工程等专业的核心课程之一，其实验教学体系的构建受到越来越多高校的关注1-3。然而，岩石在爆破作用下的力学特性与其在静力荷载作用下的力学特性明显不同，原因在于爆破荷载的瞬态特性以及岩石的瞬态响应特性4-7。加之受限于国家对爆破器材管控政策等原因，开展基于真实爆破器材的室内爆破实验较为困难1。实验教学的缺失将导致学生对岩石爆破机理缺乏理性认识。此外，中国矿业大学(北京)的土木工程和采矿工程本科专业学生仅学过经典力学的相关知识，缺乏波动力学、岩石动力学等基础理论，对爆破工程 中冲击动力学的应力波、应变率效应等概念认知较为模糊。这给授课教师带来了很大的挑战。在此背景下，如何在不增加新课程的前提下，探索安全、科学的实验教学手段势在必行。近 20 年来，中国矿业大学(北京)应用 SHPB 实验系统和数值仿真技术对岩石、混凝土类材料的动态力学特性开展了广泛的研究，取得诸多重要成果8-13。为此，结合长期的科学研究和教学实践，中国矿业大学(北京)爆破工程教学团队自 2010 年开始探索将SHPB 实验系统引入到本科生爆破工程 的实践教学中。教学人员使用 SHPB 系统冲击加载岩石类试件，获取岩石材料在一定应变率范围内的动态应力-应变曲线，进而分析材料的动态力学特性。在此基础上，应用计算机仿真技术对 SHPB 实验进行数值模拟，让学生更加直观地感知应力波的传播过程，了解材料在动态冲击作用下的破坏过程，掌握岩石类材料的基本动态力学特性。1SHPB 实验系统中国矿业大学(北京)于 2004 年建设了 SHPB系统(图 1)，广泛应用于矿山开采、结构抗震与防爆等领域中常见岩土类材料动态力学性能的测试与研究。该 SHPB 系统可进行10 103s1应变率下的材料动态力学性能测试。1 1SHPB 系统组成典型的 SHPB 装置由加载系统、控制系统、测速系统、压杆系统(冲击杆、入射杆、透射杆、吸收杆)、阻尼系统和数据记录系统组成，如图 2 所示。压杆系统有钢质和铝质两种，杆直径有 14 mm、50 mm、75 mm。一般地讲，小直径压杆系统的试验对象主要为材质较为均匀的陶瓷类材料;而对于岩石与混凝土类材料，为克服材料材质不均引起的测量误差，一般采用大直径 SHPB 系统。图 1中国矿业大学(北京)SHPB 实验系统Fig 1SHPB experimental equipment in ChinaUniversity of Mining and Technology，Beijing图 2分离式霍普金森压杆实验系统简图Fig 2The Schematic diagram of SHPB experimental system1 2SHPB 实验原理SHPB 实验基于两个基本假定:(1)一维应力波假定，即压杆在变形时横截面始终保持为平面，在横截面上只有均匀分布的轴向应力;(2)应力均匀假定，即试件足够短，以便经历多次应力波的反射后，其内部可处于均匀应力状态14，15。SHPB 实验原理如图 3 所示。实验过程中撞击杆以一定的速度冲击入射杆，在入射杆中产生一轴向传播的一维压缩应力脉冲波(i)，其到达入射杆与试件相接触的界面时(图 3 中 1 1 界面)，一部分会反射到入射杆中(卸载波 r)，另一部分继续在试件中传播，通过试件后在试件与透射杆的相接触的界面(图 3 中 2 2 界面)发生反射与透射，反射应力波(r)进入试件中，透射应力波(t)继续传播进入透射杆中。反射回试件的应力波，将会继续在试件与入射杆及透射杆的两个界面之间来回地发生反射与透射，当这种来回反射达到 3 6 次以后，即可认为试件内部的应力达到了平衡16。基于一维应力波假设和位移连续性条件，可得“三波法”公式17，18?(t)=C0L i(t)r(t)t(t)(1)422爆破2023 年 6 月(t)=C0Lt0 i(t)r(t)t(t)dt(2)(t)=A0E02A i(t)+r(t)+t(t)(3)式中:i为入射波应变;r为反射波应变;t为透射波应变;和?分别为试件的应变和应变率;C0、A0和 E0分别为杆件弹性波波速、横截面积和弹性模量;A 和 L 分别为试件横截面积和长度。图 3SHPB 实验原理简图Fig 3The schematic diagram of SHPB experiment theory2实验课程的设计教学环节中的实验课时包含在课程总课时中，目前大学专业课程的课时普遍偏少。我校爆破工程总课时为 32 学时，根据课程内容与试验内容，设置SHPB 实验为 1 课时。针对学生不具备波动力学基础，以前也未接触过动力学实验，为达到实验的教学目的，须对实验的相关环节进行详细筹划与设计。2 1实验前的准备实验课程前，教师应提前打磨试件，选择的岩石试件的矿物分布尽量均匀。近几年，我们选择的是粉砂岩，试件尺寸为 50 mm 40 mm，端面不平行度控制在 0 02 mm 以内，试件的外观如图 4 所示。图 4 50 mm 40 mm 粉砂岩试件Fig 4The 50 mm 40 mm siltstone specimens考虑场地及教学效果的因素，同时观看演示实验的学生不超过 15 人，教师应提前对学生进行分组，为每组准备两个以上合格试件。为对比分析，需提前进行同尺寸试件的单轴压缩静载平行实验 3 次以上，强度取标准值，记录应力-应变(位移)曲线，如图 5 所示，单轴压缩参数见表 1。图 5静载下的粉砂岩应力-应变曲线Fig 5The static constitutive curve of sandstone表 1 50 mm 40 mm 砂岩试件静态力学参数Table 1Static mechanical parameters ofsandstone specimens of 50 mm 40 mm编号抗压强度/MPa最大应变/106弹性模量/GPa泊松比175 67042