摆锤冲击加载岩石动态试验装置的研制

论文摘要

材料受到冲击荷载作用时所表现的力学行为与静荷载作用下的静态力学特性存在显著差异,动态载荷作用下岩石的力学特性是岩石动力学的基本内容。由于岩石材料本身的复杂性以及冲击载荷的作用特点,室内实验是研究岩石动态特性的基本手段。本文基于固体介质中的一维波动理论,利用电阻应变测量方法实现了摆锤冲击加载下钢杆中一维应力波信号测试,基于此组建了摆锤冲击加载岩石动态试验装置,并进行岩石试样的动态压缩试验,获取了单轴压缩条件下试样的动态应力-应变曲线。该论文的研究内容主要包括：（1）自制了性能稳定可靠的前置放大器和电桥稳压电源,基于此组建了测试系统并进行摆锤冲击加载下细长钢杆中一维应力波测试,测试结果能够真实反映钢杆的一维动态力学响应,充分验证应力波测试系统的可靠性。（2）组建摆锤冲击加载岩石动态试验装置,进行花岗岩、板岩和砂岩试样动态冲击试验并获得上述三种岩石试样的应力-应变关系,应变率大时试样单轴抗压强度高,其单轴抗压强度表现出一定的应变率相关性。利用摆锤冲击加载岩石动态试验装置进行岩石类材料动态应力-应变关系测试时,入射波上升阶段历时较长,呈现接近于三角形的加载波形,在岩石试样应力达到峰值前后较长的一段时间内应力均匀性好,同时能够方便地获取岩石材料在100s-1-102s-1应变率段的动态应力-应变曲线。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 岩石动态试验装置
• 1.2.1 霍布金森压杆（SHPB）技术
• 1.2.2 其他岩石动态试验装置
• 1.3 岩石动态力学特性的试验研究
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 弹性波理论基础和摆锤冲击加载岩石动态试验装置原理
• 2.1 弹性波理论发展概况
• 2.2 应力波的产生
• 2.3 一维杆中弹性应力波理论
• 2.3.1 描述运动的坐标系
• 2.3.2 物质坐标系下一维杆中弹性纵波的控制方程
• 2.3.3 两弹性波的相互作用
• 2.3.4 弹性波在不同介质界面上的反射和透射
• 2.3.5 横向惯性引起的弥散效应
• 2.4 摆锤冲击加载岩石动态试验装置构思及其原理
• 2.5 本章小结
• 第3章 应力波信号的电阻应变测量系统
• 3.1 电阻应变片的选择与粘贴
• 3.2 电阻应变测量电桥
• 3.3 信号测量中的抗干扰措施
• 3.4 前置放大器的制作与性能测试
• 3.4.1 前置放大器的制作
• 3.4.2 前置放大器的性能测试
• 3.5 应力波信号的显示与存储
• 3.6 本章小结
• 第4章 杆中一维应力波测试暨应力波信号测量系统可靠性验证
• 4.1 测试系统与试验方案
• 4.2 试验结果与分析
• 4.2.1 实测波形总体分析
• 4.2.2 钢杆中应力波波速的验证比较
• 4.2.3 钢杆中应力波在自由端的反射
• 4.3 本章小结
• 第5章 摆锤冲击加载岩石动态压缩试验
• 5.1 试验准备
• 5.1.1 摆锤冲击加载岩石动态试验装置
• 5.1.2 岩石试样制备
• 5.1.3 试验方案与步骤
• 5.2 试验结果与分析
• 5.2.1 冲击荷载下岩石试样的破碎情况
• 5.2.2 冲击试验中岩石试样的应力均匀性
• 5.2.3 冲击荷载下岩石试样的应力-应变曲线
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 后期工作展望
• 参考文献
• 附录 波形数据处理程序源代码
• 致谢