石材動態力學性能的研究現狀與發展趨勢(下)①

李子沐,王寧昌,姜峰,2,徐西鵬

(1.華僑大學脆性材料加工技術教育部工程研究中心,福建廈門361021 2.上海交通大學機械系統與振動國家重點實驗室,上海200240)

石材動態力學性能的研究現狀與發展趨勢(下)①

李子沐1,王寧昌1,姜峰1,2,徐西鵬1

(1.華僑大學脆性材料加工技術教育部工程研究中心,福建廈門361021 2.上海交通大學機械系統與振動國家重點實驗室,上海200240)

簡單介紹了分離式霍普金森壓桿裝置及其工作原理,從不同種類的巖石、不同環境參數條件下的巖石以及巖石破壞機理的角度對巖石動態力學性能的研究現狀進行了綜述與評價,指出現有的研究主要還是試驗研究,對金剛石加工石材過程中的切削力和已加工表面質量等物理量的測量以及對石材加工過程中材料去除機理的研究相對較少。繼而討論了石材本構與加工過程物理量的關系,得出石材的動態力學性能應用于其加工過程物理量的預測是可行的結論,并指出如何利用石材的動態力學性能以及相適應的數值仿真手段,對沖擊作用、巖石微觀組織演變和應力變化這三者之間的作用機制,失效機制等相關理論進行研究將是個非常重要的研究方向。

霍普金森壓桿、巖石、動態力學性能、石材加工

3.2 不同環境參數對巖石動態性能的影響

(1)溫度影響。尹土兵等人通過分離式霍普金森壓桿試驗系統,對高溫作用后的砂巖進行了研究[10]。結果表明,高溫后砂巖的動態力學特性與靜態力學特性相比變化顯著;靜、動載荷作用下的峰值強度隨溫度的升高而明顯降低,且基本呈線性關系;靜、動載荷作用下的峰值應變都隨溫度的升高而增大。

(2)濕度影響。席軍等人利用霍普金森壓桿裝置對干燥和水飽和大理巖進行多次沖擊波在長桿巖石試件中傳播的實驗研究[11]。結果表明,飽水多孔巖石的多次沖擊壓縮實驗的動態響應與干燥巖石的動態響應完全不同。隨著沖擊次數的增加,飽水巖石的應力-應變曲線的模量降低,殘余應變增大,與干燥巖石的多次沖擊實驗結果相反。并對此現象做出了分析解釋:因為超過屈服點的沖擊導致飽水大理巖的裂紋擴展和新裂紋的生成,引起體積膨脹,模量下降。

(3)圍壓影響。劉軍忠等人采用改進后具有主動圍壓加載裝置的Φ100mm分離式霍普金森壓桿裝置,研究了斜長角閃巖在不[12]同圍壓等級和不同應變率條件下的動態壓縮力學特性。結果表明,斜長角閃巖的峰值應力和峰值應變隨著圍壓等級和應變率的變化表現出顯著的應變率相關性和較強的圍壓效應。呂曉聰等人利用帶圍壓裝置的SHPB設備對砂巖在不同應變率、不同圍壓等級下的沖擊壓縮力學性能進行研究[13]。結果表明,在圍壓作用下,砂巖的應力-應變曲線出現較為明顯的屈服階段,表現出明顯的脆性-延性轉化特征;在沖擊荷載作用下,隨著應變率的增加,圍壓的減小,砂巖的能量吸收率是在提高的,并且發現巖石循環沖擊損傷演化的過程存在圍壓效應。

(4)軸壓影響。宮鳳強等人利用改造的劈裂霍普金森壓桿動靜組合加載試驗裝置,選取無軸壓和3個典型軸壓水4種情形,開展了對砂巖在不同應變率下的沖擊試驗[14]。結果表明,在相同應變率下,動靜組合加載的沖擊強度會隨著軸壓比的增加呈現先增加后減小的趨勢;一維動靜組合加載破壞試驗中,巖石對外界入射能的響應受軸壓比影響較大;室內巖石破裂過程失穩的發生受軸壓比和沖擊入射能的雙重影響。

(5)長徑比影響。杜晶等人利用分離式霍普金森壓桿實驗系統,進行一系列不同長徑比沖擊實驗,探討了不同的長徑比對分維數的影響[15]。結果表明,砂巖破碎分維值在1.54到2.49之間,分維愈大,其粒度愈細;相同長徑比巖石試件,巖石破碎分維值與試樣的應變率呈線性相關,隨應變率增大而增大。

從以上的研究可以發現,不同的環境參數和幾何結構參數,導致了巖石不同的動態力學性能,相關的機理分析對石材加工過程中的工藝參數優化有較大的幫助。

3.3 巖石動態破壞機理研究

李夕兵等人利用改進的霍普金森壓桿裝置產生的半正弦波形對花崗巖試件進行層裂破壞試驗研究,通過高速攝影儀記錄整個層裂破壞過程,分析不同時刻層裂現象[16]。結果顯示:除第一層層裂外,其他各層層裂都不是由簡單的動態拉伸作用產生的。最終得出結論:硬巖試件在沖擊加載的條件下不僅會因為最大拉應力斷裂準則而產生層裂,還可能會由損傷以及剩余反射波的作用而產生后續的破壞。

金解放等人針對不能用聲波波速值的變化研究過程中巖石的損傷演變特性的問題,在動靜組合加載試驗系統上,提出了基于巖石波阻抗定義其損傷變量的方法[17]。結果表明,在入射能大小接近的循環沖擊過程中,利用波阻抗定義巖石損傷變量的方法是可行的。

Yuannian Wang[18]等人對巖石破碎過程進行了離散元建模,發現離散元建模可以很好地模擬巖石試樣的動態性能,尤其是對巖崩后產生的巖石碎片的分析。

從巖石材料方面探討機理性問題,通過一些理論的方法和仿真建模的手段,可以盡可能地還原整個加工過程,可對加工過程中產生的現象進行分析并得出可靠結論,這對預測和防止加工過程中石材的非期望破碎,提高成品率具有指導性意義。

4 石材本構與加工過程物理量的關系

材料的本構模型是應變到應力計算的橋梁,是進行切削過程物理量計算的基礎。利用材料的本構模型,建立與切削力的關系,這在金屬材料上已被廣泛研究。例如:姜峰[19]等人研究了鈦合金材料的本構模型,并以其為基礎建立了切削過程的數值仿真模型,從而對鈦合金加工過程中的物理量進行了預測。

石材加工過程中的材料去除與金屬切削過程中的材料去除過程有一定相似性。H.H.L?ns[20]、H. Hütt[21]和S.Schulz[22]均在其博士論文中指出,單顆粒金剛石以不同條件切削花崗石時,脆性崩碎行為在巖石破碎過程中占主導地位;同時,仍有塑性變形區,后者取決于被加工石材的力學性能。圖7是鋸切過程中工具-工件接觸區界面示意圖。

圖7 加工中工件-工具接觸區截面示意圖[23]Fig.7 Workpiece in machining-schematic cross section of the contact area

當金剛石磨粒以高速沖擊工件時,若工件接觸區域已達到最大應力,則工件會產生裂紋(局部已破碎)。隨著磨粒的持續沖擊,裂紋將不斷擴展,但此應力不會再增大。利用最大應力值,結合接觸面積的計算,便可得到單顆磨粒成屑的切削力。根據研究者們對巖石動態力學性能的研究可知,不同的沖擊速度,會得到不同的應力-應變曲線。因此,當磨粒的沖擊速度不同時,材料去除過程中的單位切削力不同。這和黃國欽等人得出的鋸切力結果相一致[23]。因此,利用巖石材料動態力學性能預測其加工過程中的力、破碎等物理現象是可行的,也是巖石材料去除機理研究的一個重要手段。但此類研究甚少,這將是今后研究工作開展的一個重要方面。

5 總結

巖石類材料的動力學較其靜力學在實驗研究和力學分析上要復雜得多,相應問題的處理也困難得多,因此,到目前為止,巖石類材料在動態實驗研究和動力學理論分析上還處于發展階段,某些研究領域還僅僅處于起步階段。從國內外已進行的石材動態力學性能研究可以了解到:(1)研究者對不同種類的巖石、不同參數下巖石的研究已經日趨成熟。但是對沖擊作用、巖石微觀組織演變和應力變化這三者之間的作用機制,失效機制等相關理論的探討還有待加強。(2)隨著科技不斷的發展,計算機數值仿真技術逐漸成為研究工作的一項重要手段。在巖石材料領域,想要對石材動態力學性能進行深入研究,數值仿真是一個不錯的選擇。(3)研究者對石材的動態力學性能已有一定研究,但石材的動態力學性能如何應用于其加工過程物理量的預測是個難題。這些問題將是石材動態力學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,碩士研究生,主要從事硬脆性材料去除機理的研究。

姜峰(1981-),男,副教授,主要從事硬脆性材料去除機理的研究,E-mail:jiangfeng@hgu.edu.cn。