冲击荷载作用下脆性孔洞材料崩塌数值模拟分析_图文

1、 960 岩石力学与工程学报 2005 p / GPa V/V0 (a 比容的变化 p / GPa Ra / Ra0 (b 内径的变化 Fig.6 图 6 不同孔隙率材料的冲击压缩过程曲线 Shock compression curves of brittle material with various pore volumes 快崩塌，临界点 B 根本不出现；本次模拟过程中， 当孔隙率低于 15%时，临界点 B 一般会出现。 图 7 为对应计算区域内不同孔隙率材料的冲击 压缩过程损伤历程。此处损伤度 D 定义为系统中已 经发生断裂的元与元之间的连接键与总的连接键的 比值。由此可见，当孔隙率较

2、大时，材料内部的损 伤更大，而且发展更快。 5 对随机分布的孔洞和裂纹共同作 用时脆性材料崩塌模拟分析 Carrol-Holt 模型假定对脆性孔洞材料崩塌进行 的初步模拟分析中考虑的材料缺陷仅为孔洞，而实 际上研究的水泥基复合材料内所含的缺陷不仅仅是 孔洞一种，各种尺度的裂纹对材料性能有较大的影 响。作者将对已知的含有 10.5% 缺陷的材料在不同 的孔洞和裂纹含量下材料崩塌过程进行模拟分析， 以探讨孔洞和裂纹在材料崩塌过程中的作用。 5.1 模拟方案与参数 在前面采用的 Carrol-Holt 模型进行的计算分析 中，单元离散和边界对于计算结果有一定的影响。 孔洞和裂纹混合分析统计结果见表

3、2。为简化问题， 分析孔洞和裂纹在材料崩塌过程的作用中将采用图 8 给出的不同缺陷组合计算的初始构形。此构型上部 受均布荷载的作用，其余 3 个面为约束面，即底部 为固壁，两侧水平方向固定，材料可以自由进行垂 直方向运动。计算时的材料参数与前面相同，加载速 度增加 5 倍。 5.2 数值模拟结果 图7 Fig.7 不同孔隙率材料的冲击压缩过程损伤历程 Damage evolutions of materials with various pore volumes subjected to shock loading 第 24 卷 第6期 徐松林等. 冲击荷载作用下脆性孔洞材料崩塌数值模拟分析

4、961 表2 Table 2 算例编号 Ball 21 Ball 24 Ball 25 Ball 23 Ball 22 孔洞和裂纹混合分析统计结果(孔隙率和裂隙率总的含量为 10.5% 计算域尺寸 /cm×cm 3×3 3×3 3×3 3×3 3×3 材料域尺寸 /cm×cm 3×2.8 3×2.8 3×2.8 3×2.8 3×2.8 Summary of calculated results of material with pores and cracks (total

5、content 10.5% 裂隙率/% 0.0 3.0 5.0 7.5 10.5 元的个数/个 5 964 6 109 6 254 6 418 6 612 元直径/mm 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 孔隙率/% 10.5 7.5 5.5 3.0 0.0 长度/cm Fig.8 图 8 不同缺陷组合计算的初始构形 Initial configuration for model analyses of material with various pores and cracks 图 9 不同缺陷组合下材料体积压缩过程的对比 Fig.9 Shock compression of britt

6、le material with various pores and crack volumes 图 9 为不同缺陷组合下材料体积压缩过程的对 比。模拟结果表明，随着孔洞含量的增加，材料的 崩塌过程压缩量迅速增加。裂纹对材料的压缩过程 有较大的影响，但对比孔洞而言，其作用并不显著。 计算过程中，每一幅图输出的计算步较多，各种情 况下， 对应体积崩塌的荷载基本在 0.8 GPa。 实际上， 若细化此过程，可以得到裂纹含量对于此临界荷载 的影响。由此可以初步得出：裂纹的存在主要是降 低临界荷载，而材料在崩塌过程中的体积压缩主要 源于孔洞的作用。 图 10 对应计算区域内不同缺陷组合下材料的 冲击压

7、缩过程损伤历程。由此可见：当孔隙率较大 时，材料内部的损伤发展更快；到了一定的荷载之 后，材料的损伤基本保持一致，在 0.175 左右。 6 讨论与结论 图 10 不同缺陷组合下材料的冲击压缩过程损伤历程 Fig.10 Damage evolutions of materials with various pores and crack volumes subjected to shock loading 根据冲击荷载作用下水泥基复合材料的实验结 果，基于 Carrol-Holt 假定，本文将脆性孔洞材料崩 p / GPa 962 岩石力学与工程学报 ductile materialsJ. J

8、. Appl. Phys.，1972，45：1 6261 636. 2 2005 塌简化为中空的球体，采用基于细观动力学的离散 元方法模拟了不同孔隙率脆性孔洞材料的冲击压缩 崩塌过程。可以看出，此方法能够描述脆性孔洞材 料崩塌。进一步的研究分析表明，孔隙率控制着材 料的崩塌行为，尤其是临界点 B(剪切强度丧失的存 在与否。当孔隙率低于 15%时，临界点 B 一般会出 现；而高于此孔隙率临界点 B 则不一定出现。 材料的实际缺陷不仅包括孔洞，还有裂纹。为 了消除边界对模拟结果的影响，采用较简单的构型 进行不同缺陷组合下材料体积压缩过程的对比分 析。结果表明，裂纹的存在主要降低临界荷载，而 材料在

9、崩塌过程中的体积压缩则主要源于孔洞的作 用。 基于以上分析，本文验证并发展了脆性材料孔 洞崩塌的定性规律，这些结果对作者下一步进行理 论模型的建立是十分有利的。值得注意的是，在此 次模拟过程中发现，冲击压缩过程，尤其是冲击速 度较高时，材料破坏(崩塌的诱因为内壁材料的最 大剪应力达到剪破裂强度而发生的剥落，主要原因 似乎是由于此剪破裂产生的沿 45° 滑移线造成材料 的动态脆性断裂，此过程的发生和发展要较剪破裂 产生剥落的过程快得多。这种破裂很快向材料内部 发展， 并导致材料的整体崩溃。 这主要是由于 DEM3 计算过程中力的边界条件的施加，在计算中始终无 法完全避免不均匀性，从而使

10、得材料的受力并非完 全是预想的轴对称分布。而且，随着荷载的逐步 增加，这种不均匀性造成的计算误差和影响逐步 积累，这是造成材料后期失稳的主要因素，在以后 的讨论分析中应给予足够的重视。 本文方法可以用于岩石混凝土类脆性孔洞材料 崩塌分析。 参考文献(References： 1 Carrol M M， Holt A C. Static and dynamic pore-collapse relations for 11 10 9 8 7 5 4 3 Tong W，Ravichandran G. Recent development in modeling shock compression of

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