应力波在石英砂颗粒中的传播规律研究

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由于散体颗粒具有多孔隙、高压缩性以及在受到冲击加载时,会对应力波的传播产生显著的衰减作用等特性,被广泛应用于防护工程当中,用来抵御导弹、爆炸等的军事打击,因此对应力波在散体颗粒中的传播规律开展研究对实际防护工程的构建具有重要的意义。本文基于离散单元法建立石英砂颗粒模型,对应力波在石英砂颗粒中的传播规律开展研究,并通过实验验证数值模拟的准确性,最后对散体颗粒的工程应用进行数值模拟。通过数值模拟发现:(1)在冲击加载下,应力波在石英砂颗粒中的传播呈指数型衰减,可用衰减因子β对应力波的衰减程度进行描述,β值越大,应力波在石英砂颗粒中的衰减越厉害;且应力波在传播过程中会伴随颗粒的破碎,颗粒的不同破碎程度会对石英砂颗粒中应力波的衰减产生影响,颗粒的破碎程度越大,应力波在传播过程中的衰减越明显;(2)应力波的衰减具有显著的速率相关性,其本质是不同加载速度带来颗粒的不同破碎程度,加载速度越大,颗粒破碎程度越大,从而导致应力波在较大速度下有更大的衰减,而速度本身对应力波的衰减是没有影响的;(3)应力波在传播过程中还会伴随脉宽的变化,应力波的衰减程度随加载脉宽的增大而减小,这是由于石英砂颗粒对高频波具有显著的弥散作用,会大幅削弱短脉宽的高频波峰值应力,而对于长脉宽的低频波影响相对较小;(4)侧壁的围压作用可通过影响石英砂颗粒的径向接触力从而影响应力波的在轴向上的传播。在主动围压中,围压越大,颗粒的破碎程度越大,而应力波在石英砂颗粒中的衰减随围压的增大呈减弱趋势。在被动围压中,应力波在石英砂颗粒中的传播规律受侧壁材质的影响,不同材质表现出不同的传播特性;(5)数值模拟中也可通过能量的关系分析波的传播规律,在平板加载中,能量主要由边界能向颗粒动能、颗粒间的摩擦能等转化,加载速度越大,边界能越大,不同边界能下有不同的转化路径,在宏观上表现为应力波不同的衰减规律。在实验方面:通过MTS液压机和SHPB压杆对石英砂颗粒开展静、动态力学实验,获取石英砂颗粒的应力-应变曲线,并将石英砂颗粒的侧限压缩本构与数值模拟对比,发现两者的屈服应力均在10MPa左右。在此基础上,探究了应力波在石英砂颗粒中的传播规律,将实验结果与模拟进行对比:两者应力波的衰减趋势有较好的一致性,可见通过离散元法开展应力波在石英砂颗粒中的传播研究是可行的。最后通过离散单元法建立石英砂颗粒的实际工程应用,并获得一定的结论。
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