石材动态力学性能的研究现状与发展趋势(下)①

李子沐,王宁昌,姜峰,2,徐西鹏

(1.华侨大学脆性材料加工技术教育部工程研究中心,福建厦门361021 2.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室,上海200240)

石材动态力学性能的研究现状与发展趋势(下)①

李子沐1,王宁昌1,姜峰1,2,徐西鹏1

(1.华侨大学脆性材料加工技术教育部工程研究中心,福建厦门361021 2.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室,上海200240)

简单介绍了分离式霍普金森压杆装置及其工作原理,从不同种类的岩石、不同环境参数条件下的岩石以及岩石破坏机理的角度对岩石动态力学性能的研究现状进行了综述与评价,指出现有的研究主要还是试验研究,对金刚石加工石材过程中的切削力和已加工表面质量等物理量的测量以及对石材加工过程中材料去除机理的研究相对较少。继而讨论了石材本构与加工过程物理量的关系,得出石材的动态力学性能应用于其加工过程物理量的预测是可行的结论,并指出如何利用石材的动态力学性能以及相适应的数值仿真手段,对冲击作用、岩石微观组织演变和应力变化这三者之间的作用机制,失效机制等相关理论进行研究将是个非常重要的研究方向。

霍普金森压杆、岩石、动态力学性能、石材加工

3.2 不同环境参数对岩石动态性能的影响

(1)温度影响。尹土兵等人通过分离式霍普金森压杆试验系统,对高温作用后的砂岩进行了研究[10]。结果表明,高温后砂岩的动态力学特性与静态力学特性相比变化显著;静、动载荷作用下的峰值强度随温度的升高而明显降低,且基本呈线性关系;静、动载荷作用下的峰值应变都随温度的升高而增大。

(2)湿度影响。席军等人利用霍普金森压杆装置对干燥和水饱和大理岩进行多次冲击波在长杆岩石试件中传播的实验研究[11]。结果表明,饱水多孔岩石的多次冲击压缩实验的动态响应与干燥岩石的动态响应完全不同。随着冲击次数的增加,饱水岩石的应力-应变曲线的模量降低,残余应变增大,与干燥岩石的多次冲击实验结果相反。并对此现象做出了分析解释:因为超过屈服点的冲击导致饱水大理岩的裂纹扩展和新裂纹的生成,引起体积膨胀,模量下降。

(3)围压影响。刘军忠等人采用改进后具有主动围压加载装置的Φ100mm分离式霍普金森压杆装置,研究了斜长角闪岩在不[12]同围压等级和不同应变率条件下的动态压缩力学特性。结果表明,斜长角闪岩的峰值应力和峰值应变随着围压等级和应变率的变化表现出显著的应变率相关性和较强的围压效应。吕晓聪等人利用带围压装置的SHPB设备对砂岩在不同应变率、不同围压等级下的冲击压缩力学性能进行研究[13]。结果表明,在围压作用下,砂岩的应力-应变曲线出现较为明显的屈服阶段,表现出明显的脆性-延性转化特征;在冲击荷载作用下,随着应变率的增加,围压的减小,砂岩的能量吸收率是在提高的,并且发现岩石循环冲击损伤演化的过程存在围压效应。

(4)轴压影响。宫凤强等人利用改造的劈裂霍普金森压杆动静组合加载试验装置,选取无轴压和3个典型轴压水4种情形,开展了对砂岩在不同应变率下的冲击试验[14]。结果表明,在相同应变率下,动静组合加载的冲击强度会随着轴压比的增加呈现先增加后减小的趋势;一维动静组合加载破坏试验中,岩石对外界入射能的响应受轴压比影响较大;室内岩石破裂过程失稳的发生受轴压比和冲击入射能的双重影响。

(5)长径比影响。杜晶等人利用分离式霍普金森压杆实验系统,进行一系列不同长径比冲击实验,探讨了不同的长径比对分维数的影响[15]。结果表明,砂岩破碎分维值在1.54到2.49之间,分维愈大,其粒度愈细;相同长径比岩石试件,岩石破碎分维值与试样的应变率呈线性相关,随应变率增大而增大。

从以上的研究可以发现,不同的环境参数和几何结构参数,导致了岩石不同的动态力学性能,相关的机理分析对石材加工过程中的工艺参数优化有较大的帮助。

3.3 岩石动态破坏机理研究

李夕兵等人利用改进的霍普金森压杆装置产生的半正弦波形对花岗岩试件进行层裂破坏试验研究,通过高速摄影仪记录整个层裂破坏过程,分析不同时刻层裂现象[16]。结果显示:除第一层层裂外,其他各层层裂都不是由简单的动态拉伸作用产生的。最终得出结论:硬岩试件在冲击加载的条件下不仅会因为最大拉应力断裂准则而产生层裂,还可能会由损伤以及剩余反射波的作用而产生后续的破坏。

金解放等人针对不能用声波波速值的变化研究过程中岩石的损伤演变特性的问题,在动静组合加载试验系统上,提出了基于岩石波阻抗定义其损伤变量的方法[17]。结果表明,在入射能大小接近的循环冲击过程中,利用波阻抗定义岩石损伤变量的方法是可行的。

Yuannian Wang[18]等人对岩石破碎过程进行了离散元建模,发现离散元建模可以很好地模拟岩石试样的动态性能,尤其是对岩崩后产生的岩石碎片的分析。

从岩石材料方面探讨机理性问题,通过一些理论的方法和仿真建模的手段,可以尽可能地还原整个加工过程,可对加工过程中产生的现象进行分析并得出可靠结论,这对预测和防止加工过程中石材的非期望破碎,提高成品率具有指导性意义。

4 石材本构与加工过程物理量的关系

材料的本构模型是应变到应力计算的桥梁,是进行切削过程物理量计算的基础。利用材料的本构模型,建立与切削力的关系,这在金属材料上已被广泛研究。例如:姜峰[19]等人研究了钛合金材料的本构模型,并以其为基础建立了切削过程的数值仿真模型,从而对钛合金加工过程中的物理量进行了预测。

石材加工过程中的材料去除与金属切削过程中的材料去除过程有一定相似性。H.H.Löns[20]、H. Hütt[21]和S.Schulz[22]均在其博士论文中指出,单颗粒金刚石以不同条件切削花岗石时,脆性崩碎行为在岩石破碎过程中占主导地位;同时,仍有塑性变形区,后者取决于被加工石材的力学性能。图7是锯切过程中工具-工件接触区界面示意图。

图7 加工中工件-工具接触区截面示意图[23]Fig.7 Workpiece in machining-schematic cross section of the contact area

当金刚石磨粒以高速冲击工件时,若工件接触区域已达到最大应力,则工件会产生裂纹(局部已破碎)。随着磨粒的持续冲击,裂纹将不断扩展,但此应力不会再增大。利用最大应力值,结合接触面积的计算,便可得到单颗磨粒成屑的切削力。根据研究者们对岩石动态力学性能的研究可知,不同的冲击速度,会得到不同的应力-应变曲线。因此,当磨粒的冲击速度不同时,材料去除过程中的单位切削力不同。这和黄国钦等人得出的锯切力结果相一致[23]。因此,利用岩石材料动态力学性能预测其加工过程中的力、破碎等物理现象是可行的,也是岩石材料去除机理研究的一个重要手段。但此类研究甚少,这将是今后研究工作开展的一个重要方面。

5 总结

岩石类材料的动力学较其静力学在实验研究和力学分析上要复杂得多,相应问题的处理也困难得多,因此,到目前为止,岩石类材料在动态实验研究和动力学理论分析上还处于发展阶段,某些研究领域还仅仅处于起步阶段。从国内外已进行的石材动态力学性能研究可以了解到:(1)研究者对不同种类的岩石、不同参数下岩石的研究已经日趋成熟。但是对冲击作用、岩石微观组织演变和应力变化这三者之间的作用机制,失效机制等相关理论的探讨还有待加强。(2)随着科技不断的发展,计算机数值仿真技术逐渐成为研究工作的一项重要手段。在岩石材料领域,想要对石材动态力学性能进行深入研究,数值仿真是一个不错的选择。(3)研究者对石材的动态力学性能已有一定研究,但石材的动态力学性能如何应用于其加工过程物理量的预测是个难题。这些问题将是石材动态力学性能研究的重要方向。

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Current Research Status and Its Development Trend of Dynamic Mechanical Properties of Stone

Li Zi-mu1,Wang Ning-chang1,Jiang Feng1,2,Xu Xi-peng1
(1.Engineering Research Center for Machining of Brittle Materials of Ministry of Education,Huaqiao University,Xiamen,China,361021;2.National Key Laboratory of Mechanical System and Vibration,| Shanghai Jiao Tong University,Shanghai,China,200240)

This article gives a brief introduction to the Split Hopkinson Pressure Bar apparatus and its operating principle.Current research status of dynamic mechanical properties of rock has been summarized and evaluated from various of viewpoints such as different types of rocks,rocks under different environmental parameters and the failure mechanism of rock.The conclusion is that the current research is a kind of experimental study. It has relatively small amount of research for the cutting force during the stone processing by diamond,the material removal mechanism during the stone processing and the measurement of physical quantities such as machined surface quality.The relationship between constitutive of stone and its physical quantity during processing has also been discussed. It comes a conclusion that the application of dynamic mechanical properties of stone to forecast the physical quantity during its processing is workable.This article also points out that the research of application of dynamic mechanical properties of stone and the suitable numerical simulation method,mechanism of action between impact effect,rock microstructure evolution and variation of stresses and the related theories such as the failure mechanism will be the very important research fields.

hopkinson pressure bar,rock,dynamic mechanical properties,stone processing

TU452、TQ164

A

1673-1433(2014)04-0025-04

2014-07-10

李子沐(1990-),男,硕士研究生,主要从事硬脆性材料去除机理的研究。

姜峰(1981-),男,副教授,主要从事硬脆性材料去除机理的研究,E-mail:jiangfeng@hgu.edu.cn。