溫度圍壓影響下鹽巖的SHPB實驗

張 凱，陳榮剛

(陸軍軍官學院，合肥 230031)

在能源(石油、天然氣、核燃料)的地下存儲中，工程材料受到溫度和三向圍壓荷載的影響，這需要對材料在溫度圍壓耦合環境下的動態力學特性進行研究。鹽巖以其良好的密封性、低滲透性和損傷自愈合性成為地下存儲結構的主要工程材料。在一些極端條件下，如震動、碰撞、爆炸、侵徹等情況中，鹽巖材料的力學性能高低決定著地下存儲洞庫的性能。由此可見，研究鹽巖材料的動態力學性能有著重要的意義。

分離式Hopkinson壓桿實驗技術自1949年由Kolsky提出后，經過幾十年的不斷改進和完善，已成為材料動態力學性能的重要研究手段，其涉及材料的應變率范圍(102～104s－1)也是工程上關心的范圍。目前，SHPB的溫度實驗主要有2種方案:①試件單獨加熱，并快速對桿。此種方法可以消除桿上溫度梯度對應力波產生的影響，在數據處理方面比較方便。②桿與試件同時加熱。此種方法的實驗裝置和過程相對簡單，但在高溫實驗中，溫度梯度會影響應力波的傳播，需要對波形進行修正。

張方舉等［1］針對第1種溫度實驗方案設計了一種快速對桿裝置，該裝置用0.4 MPa的氣壓推動導桿進入爐內，并與試件接觸。導桿與試件之間的接觸存在震蕩，直到85 ms后達到穩定的組裝狀態。同時，導桿與試件存在“冷接觸”現象，使得試件中心和兩端的溫度有差異，導致試件溫度不均勻。冷接觸時間在400 ms以內，試件的溫度不均勻性可以控制在10%以內。針對第2種溫度實驗方案，夏開文［2］利用傳熱學的原理推導出壓桿上的溫度分布，利用有限差分的方法修正了實測波形，最高達到600℃，但這種方法的處理過程比較復雜。周國才［3］在附有加溫爐的實驗裝置上，為研究溫度梯度的影響設計了一個簡化的模型，采用數值計算進行修正，提出了精度適當的假設，并且進行了實驗驗證。除此以外，肖大武等［4］為了延長壓桿的使用壽命，降低高溫實驗中的壓桿溫度，在試件端面和壓桿之間加上一對陶瓷短桿，結合有限元模擬進行研究，結果表明，在800℃實驗條件下，陶瓷短桿及溫度梯度場帶來的影響在試樣進入塑性變形段后可以控制在5%以下。還有人采用異形壓桿，加工不同的截面壓桿來抵消溫度梯度對壓桿產生的影響，從而不需要對壓桿的波形進行修正。這種方法滿足不了不同溫度下的實驗條件，使實驗的成本增加。

盡管前人對于SHPB高溫實驗技術進行了系統的研究，但尚未考慮到三向圍壓對試件動態力學性能的影響。地下儲存庫的埋深［5］一般為1000～1500 m，鹽巖材料工作在150℃以內的溫度下無需進行鹽巖的高溫實驗，在實驗中可以忽略溫度對于應力波的影響［2］。同時，為了給鹽巖試樣加上三向圍壓，本文在高溫實驗的基礎上，設計了一種溫度圍壓耦合加載的實驗裝置，對鹽巖試樣進行了高應變率實驗。首先利用Solidworks simulation程序對此實驗裝置進行了穩定溫度場的仿真，然后通過實驗對仿真結果加以驗證。

1 實驗裝置簡介

實驗的裝置如圖1所示，建立在Φ75 mm分離式Hopkinson壓桿(SHPB)的基礎上，加壓裝置由2個推動支座、油壓機以及溫度圍壓裝置組成，入射桿和阻尼桿上各有1個推動支座，透射桿右端面緊貼推動支座(阻尼桿上)左端蓋，其內部壓力的大小由油壓機控制，所以2個推動支座內的壓力是相等的。同時，推動支座之間設有一對拉桿，用來平衡桿對支座的反作用力。當油壓機加壓時，推動支座推動2根桿壓緊試件表面，從而使試件的2個端面受到壓力。溫度圍壓裝置的內部結構如圖2所示，其內部的壓力也是由油壓機控制的，油壓機加壓時，裝置內的油壓可以加載到試件的環向表面。

加溫裝置由電源、加熱電阻絲、熱電偶探頭、繼電器和控溫儀組成。可以事先設定實驗所需的溫度，通過溫控儀保持溫度的穩定。由于爐壁是金屬材質，所以在實驗過程中需要在爐壁的外表面包上一層石棉，減少裝置的散熱，保持裝置內溫度的穩定。由于存在油壓，所以在引出內部信號源的同時，要保證裝置的密閉性。

圖1 實驗裝置

圖2 溫度圍壓裝置的內部結構

實驗中，在入射桿的撞擊面貼上圓形的橡膠整形器，用來過濾入射波中的高頻分量并延長加載時間。本研究在桿上貼上4組應變片，這樣，示波器中可以顯示4個通道信號，防止了實驗中因應變片打壞而采集不了數據的情況發生，保證了波形信號的采集。

2 實驗系統溫度場的數值模擬

在實驗系統的設計過程中，使用了Solidworks Simulation有限元仿真程序對包括鹽巖試件、桿、溫度圍壓裝置在內的實驗系統進行了穩定溫度場的分析。在建模的過程中，按照實物的尺寸1∶1建模，取試件尺寸Φ75 mm×35 mm，桿的長度500 mm。對模型進行了適當簡化，忽略了爐體上孔和螺栓部分以及石棉的影響。由于整個封閉的爐體具有對稱性，只取模型的1/8進行建模，如圖3所示。

熱傳遞主要分為熱傳導、熱對流和熱輻射。傳導是固體中熱傳遞最重要的方式，固體和流體(液體或氣體)之間的傳熱稱為熱對流。而熱輻射則是物體的熱能通過電磁波向外發射的過程。本研究溫度圍壓裝置的腔體是封閉的，根據傳熱學的知識，內部的主要傳熱方式是熱傳導和熱對流，熱輻射的影響很小，忽略不計。分別對模型定義材料、熱載荷和邊界條件，并對模型劃分網格，進而進行求解，可得出如圖4所示的穩定溫度場。

圖3 溫度圍壓裝置(1/8模型)

圖4 實驗裝置加溫過程中的穩定溫度場

從仿真的結果可知，當加熱絲的溫度為110℃時，由于爐壁外表面有石棉包裹，所以爐壁的溫度穩定在58℃，而桿與空氣存在自然對流，所以桿上存在溫度梯度，最低溫度為32.7℃。對于試件來說，試件兩端分別與入射桿和透射桿相接觸，故試件端面的中心處溫度最低，為78.72℃，而試件表面的溫度為88℃，整個試件的平均溫度為82.64 ℃。同理，分別對加熱絲溫度為50、70、90、110、130、150℃情況下系統的穩態溫度場進行了分析，得到類似的溫度場分布。

3 加溫實驗驗證

在對鹽巖試件撞擊之前，首先要進行加溫實驗。實際上不可能直接測到試件中心的溫度，所以，通過實驗，利用溫控儀設定溫度確定試件表面的溫度和試件中心的溫度。加溫實驗中采取2塊試件，其接觸面的邊緣和接觸面的中心分別放置1個熱電偶K1、K2，分別用來測量試件的表面溫度T1和中心溫度T2。如圖5所示。

圖5 加溫實驗示意圖

實驗中，把溫控儀的指數T0分別設定在50、70、90、110、130、150 ℃，得到試件內部溫度的時間歷程曲線，如圖6所示。

圖6 試件內部溫度的時間歷程曲線

可見，為了使試件溫度趨于穩定，對應于溫控儀設定的6種溫度，分別需要加熱70、110、140、190、220、260 min以上。等溫度數據趨于穩定時，通過熱電偶測到試件的表面溫度和中心溫度的數據，與仿真得出的數據相比較，結果如圖7所示。

由圖7可知，溫控儀溫度T0、試件表面溫度T1以及試件中心溫度T2之間呈線性關系。隨著控制溫度的升高，試件表面的溫度與試件中心的溫度差變大。數值模擬的結果可以認為是可靠的，對其實驗數據進行線性擬合，得出線性公式:

根據上述公式，實驗中，除了常溫常壓這種工況外，為了使試件中心溫度T2達到40、60、80℃，只需要將溫控儀的溫度T0調至55、82、110℃即可，同時分別給試件加上0.25、0.5 MPa的三向圍壓進行研究。結合4種溫度、3種圍壓，可以做出12種不同工況下的鹽巖動態力學實驗，能比較全面地反映出溫度和圍壓對鹽巖的影響，得到鹽巖較為完整的本構關系。

圖7 試件的實驗溫度與仿真溫度相比較

4 結束語

本文在高溫分離式Hopkinson壓桿(SHPB)實驗研究的基礎上，設計了一種溫度圍壓裝置，用于進行鹽巖材料的高應變率實驗，得到了適合研究鹽巖在高應變率、溫度圍壓耦合條件下本構關系的一種實驗方法。由于巖石試件內部含有不同的成分顆粒，而各個成分顆粒的傳熱效果并不相同，并且，因為裝置密閉性的要求，沒有在試件的表面放置更多的熱電偶測其溫度，在下一步的工作中，需要繼續改進。

［1］張方舉，謝若澤，田常津，等.SHPB系統高溫實驗自動組裝技術［J］.實驗力學，2005，20(2):281 －284.

［2］夏開文，程經毅，胡時勝.SHPB裝置應用于測量高溫動態力學性能的研究［J］.實驗力學，1998，13(3):307－313.

［3］周國才，胡時勝，付崢.用于材料高溫動態力學性能的SHPB 技術［J］.實驗力學，2010，25(1):9 －15.

［4］肖大武，李英雷，胡時勝.組合式隔熱陶瓷短桿高溫SHPB實驗技術［J］.高壓物理學報，2010，24(1):37－42.

［5］陳鋒.鹽巖力學性能及其在儲氣庫建設中的應用研究［D］.武漢:中國科學院研究生院(武漢巖土力學研究所)，2002.

［6］許文君，昝祥，汪洋，等.用于動態斷裂試驗的高溫爐設計及溫度場模擬［J］.安徽理工大學學報，2010，30(1):35－41.