温度围压影响下盐岩的SHPB实验

张 凯，陈荣刚

(陆军军官学院，合肥 230031)

在能源(石油、天然气、核燃料)的地下存储中，工程材料受到温度和三向围压荷载的影响，这需要对材料在温度围压耦合环境下的动态力学特性进行研究。盐岩以其良好的密封性、低渗透性和损伤自愈合性成为地下存储结构的主要工程材料。在一些极端条件下，如震动、碰撞、爆炸、侵彻等情况中，盐岩材料的力学性能高低决定着地下存储洞库的性能。由此可见，研究盐岩材料的动态力学性能有着重要的意义。

分离式Hopkinson压杆实验技术自1949年由Kolsky提出后，经过几十年的不断改进和完善，已成为材料动态力学性能的重要研究手段，其涉及材料的应变率范围(102～104s－1)也是工程上关心的范围。目前，SHPB的温度实验主要有2种方案:①试件单独加热，并快速对杆。此种方法可以消除杆上温度梯度对应力波产生的影响，在数据处理方面比较方便。②杆与试件同时加热。此种方法的实验装置和过程相对简单，但在高温实验中，温度梯度会影响应力波的传播，需要对波形进行修正。

张方举等［1］针对第1种温度实验方案设计了一种快速对杆装置，该装置用0.4 MPa的气压推动导杆进入炉内，并与试件接触。导杆与试件之间的接触存在震荡，直到85 ms后达到稳定的组装状态。同时，导杆与试件存在“冷接触”现象，使得试件中心和两端的温度有差异，导致试件温度不均匀。冷接触时间在400 ms以内，试件的温度不均匀性可以控制在10%以内。针对第2种温度实验方案，夏开文［2］利用传热学的原理推导出压杆上的温度分布，利用有限差分的方法修正了实测波形，最高达到600℃，但这种方法的处理过程比较复杂。周国才［3］在附有加温炉的实验装置上，为研究温度梯度的影响设计了一个简化的模型，采用数值计算进行修正，提出了精度适当的假设，并且进行了实验验证。除此以外，肖大武等［4］为了延长压杆的使用寿命，降低高温实验中的压杆温度，在试件端面和压杆之间加上一对陶瓷短杆，结合有限元模拟进行研究，结果表明，在800℃实验条件下，陶瓷短杆及温度梯度场带来的影响在试样进入塑性变形段后可以控制在5%以下。还有人采用异形压杆，加工不同的截面压杆来抵消温度梯度对压杆产生的影响，从而不需要对压杆的波形进行修正。这种方法满足不了不同温度下的实验条件，使实验的成本增加。

尽管前人对于SHPB高温实验技术进行了系统的研究，但尚未考虑到三向围压对试件动态力学性能的影响。地下储存库的埋深［5］一般为1000～1500 m，盐岩材料工作在150℃以内的温度下无需进行盐岩的高温实验，在实验中可以忽略温度对于应力波的影响［2］。同时，为了给盐岩试样加上三向围压，本文在高温实验的基础上，设计了一种温度围压耦合加载的实验装置，对盐岩试样进行了高应变率实验。首先利用Solidworks simulation程序对此实验装置进行了稳定温度场的仿真，然后通过实验对仿真结果加以验证。

1 实验装置简介

实验的装置如图1所示，建立在Φ75 mm分离式Hopkinson压杆(SHPB)的基础上，加压装置由2个推动支座、油压机以及温度围压装置组成，入射杆和阻尼杆上各有1个推动支座，透射杆右端面紧贴推动支座(阻尼杆上)左端盖，其内部压力的大小由油压机控制，所以2个推动支座内的压力是相等的。同时，推动支座之间设有一对拉杆，用来平衡杆对支座的反作用力。当油压机加压时，推动支座推动2根杆压紧试件表面，从而使试件的2个端面受到压力。温度围压装置的内部结构如图2所示，其内部的压力也是由油压机控制的，油压机加压时，装置内的油压可以加载到试件的环向表面。

加温装置由电源、加热电阻丝、热电偶探头、继电器和控温仪组成。可以事先设定实验所需的温度，通过温控仪保持温度的稳定。由于炉壁是金属材质，所以在实验过程中需要在炉壁的外表面包上一层石棉，减少装置的散热，保持装置内温度的稳定。由于存在油压，所以在引出内部信号源的同时，要保证装置的密闭性。

图1 实验装置

图2 温度围压装置的内部结构

实验中，在入射杆的撞击面贴上圆形的橡胶整形器，用来过滤入射波中的高频分量并延长加载时间。本研究在杆上贴上4组应变片，这样，示波器中可以显示4个通道信号，防止了实验中因应变片打坏而采集不了数据的情况发生，保证了波形信号的采集。

2 实验系统温度场的数值模拟

在实验系统的设计过程中，使用了Solidworks Simulation有限元仿真程序对包括盐岩试件、杆、温度围压装置在内的实验系统进行了稳定温度场的分析。在建模的过程中，按照实物的尺寸1∶1建模，取试件尺寸Φ75 mm×35 mm，杆的长度500 mm。对模型进行了适当简化，忽略了炉体上孔和螺栓部分以及石棉的影响。由于整个封闭的炉体具有对称性，只取模型的1/8进行建模，如图3所示。

热传递主要分为热传导、热对流和热辐射。传导是固体中热传递最重要的方式，固体和流体(液体或气体)之间的传热称为热对流。而热辐射则是物体的热能通过电磁波向外发射的过程。本研究温度围压装置的腔体是封闭的，根据传热学的知识，内部的主要传热方式是热传导和热对流，热辐射的影响很小，忽略不计。分别对模型定义材料、热载荷和边界条件，并对模型划分网格，进而进行求解，可得出如图4所示的稳定温度场。

图3 温度围压装置(1/8模型)

图4 实验装置加温过程中的稳定温度场

从仿真的结果可知，当加热丝的温度为110℃时，由于炉壁外表面有石棉包裹，所以炉壁的温度稳定在58℃，而杆与空气存在自然对流，所以杆上存在温度梯度，最低温度为32.7℃。对于试件来说，试件两端分别与入射杆和透射杆相接触，故试件端面的中心处温度最低，为78.72℃，而试件表面的温度为88℃，整个试件的平均温度为82.64 ℃。同理，分别对加热丝温度为50、70、90、110、130、150℃情况下系统的稳态温度场进行了分析，得到类似的温度场分布。

3 加温实验验证

在对盐岩试件撞击之前，首先要进行加温实验。实际上不可能直接测到试件中心的温度，所以，通过实验，利用温控仪设定温度确定试件表面的温度和试件中心的温度。加温实验中采取2块试件，其接触面的边缘和接触面的中心分别放置1个热电偶K1、K2，分别用来测量试件的表面温度T1和中心温度T2。如图5所示。

图5 加温实验示意图

实验中，把温控仪的指数T0分别设定在50、70、90、110、130、150 ℃，得到试件内部温度的时间历程曲线，如图6所示。

图6 试件内部温度的时间历程曲线

可见，为了使试件温度趋于稳定，对应于温控仪设定的6种温度，分别需要加热70、110、140、190、220、260 min以上。等温度数据趋于稳定时，通过热电偶测到试件的表面温度和中心温度的数据，与仿真得出的数据相比较，结果如图7所示。

由图7可知，温控仪温度T0、试件表面温度T1以及试件中心温度T2之间呈线性关系。随着控制温度的升高，试件表面的温度与试件中心的温度差变大。数值模拟的结果可以认为是可靠的，对其实验数据进行线性拟合，得出线性公式:

根据上述公式，实验中，除了常温常压这种工况外，为了使试件中心温度T2达到40、60、80℃，只需要将温控仪的温度T0调至55、82、110℃即可，同时分别给试件加上0.25、0.5 MPa的三向围压进行研究。结合4种温度、3种围压，可以做出12种不同工况下的盐岩动态力学实验，能比较全面地反映出温度和围压对盐岩的影响，得到盐岩较为完整的本构关系。

图7 试件的实验温度与仿真温度相比较

4 结束语

本文在高温分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验研究的基础上，设计了一种温度围压装置，用于进行盐岩材料的高应变率实验，得到了适合研究盐岩在高应变率、温度围压耦合条件下本构关系的一种实验方法。由于岩石试件内部含有不同的成分颗粒，而各个成分颗粒的传热效果并不相同，并且，因为装置密闭性的要求，没有在试件的表面放置更多的热电偶测其温度，在下一步的工作中，需要继续改进。

［1］张方举，谢若泽，田常津，等.SHPB系统高温实验自动组装技术［J］.实验力学，2005，20(2):281 －284.

［2］夏开文，程经毅，胡时胜.SHPB装置应用于测量高温动态力学性能的研究［J］.实验力学，1998，13(3):307－313.

［3］周国才，胡时胜，付峥.用于材料高温动态力学性能的SHPB 技术［J］.实验力学，2010，25(1):9 －15.

［4］肖大武，李英雷，胡时胜.组合式隔热陶瓷短杆高温SHPB实验技术［J］.高压物理学报，2010，24(1):37－42.

［5］陈锋.盐岩力学性能及其在储气库建设中的应用研究［D］.武汉:中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所)，2002.

［6］许文君，昝祥，汪洋，等.用于动态断裂试验的高温炉设计及温度场模拟［J］.安徽理工大学学报，2010，30(1):35－41.