岩石RHT模型理论及主要参数确定方法研究

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岩石与混凝土同为脆性材料,具有相似的颗粒边界、孔洞以及裂隙等不同尺度缺陷,且二者都具有应变硬化、损伤软化和应变率效应等特性,这就为我们利用混凝土的本构关系来描述岩石类脆性材料在动、静载作用下的力学行为提供了可行性,其中,RHT混凝土本构模型己被广泛地应用于爆炸冲击、侵彻等问题的数值模拟和分析中并取得令人相对满意的效果。RHT模型共计包含34个参数,其中部分参数可以通过试验和理论计算准确获得,部分参数为模型给定值,但也有部分参数的试验获取途径复杂且不易准确测定,而多数学者在利用RHT模型模拟岩石爆破破碎时,不管岩石种类如何变化,对待这些不易获取的参数只是引用混凝土的相关参数或者在其基础上进行简单的调整。由于不同岩石材料在力学性能上的差异,势必会导致其值的确定具有或大或小的偏差,而这些取值的偏差很可能会对数值模拟的结果造成重要影响。因此,本文通过理论分析、静力学试验、波速测定试验、SHPB冲击试验以及数值模拟相结合的方法对RHT模型参数的确定进行研究。(1)系统研究了RHT模型中p-a状态方程、失效面方程、弹性极限面方程、线性强化段方程和损伤软化段方程间的相互作用关系以及不同方程参数代表的含义,并对34个模型参数进行了分类;(2)运用LS-DYNA软件对混凝土RHT模型参数进行了相同应变率下的单轴压缩、单轴拉伸、三轴压缩以及不同应变率下的单轴压缩和单轴拉伸等单元模拟测试,通过将模拟曲线与混凝土经典试验曲线对比研究发现:RHT模型能够较好的描述材料在压应力情况下的力学行为,而在描述拉应力作用下材料力学性能方面存在缺陷;(3)研究了19个RHT模型参数的获取方式,采用LS-DYNA模拟石灰岩单轴(低应变率和高应变率情况下)、三轴压缩的方式对剩余的15个参数进行敏感性分析,在单一改变B、gt*、N、pcomp、ft*、fs*、A、n、Q0、gc*、ξ、D1、εpm、 Af或者nf的情况下,通过研究模拟曲线所发生的变化发现:罗德角相关系数B和拉伸屈服面参数gt*的取值变化对单轴、三轴压缩应力-应变曲线没有影响;拉压强度比ft*、剪压强度比fs*、初始损伤参数D1对损伤软化方程中失效应力面与残余应力面间的曲线形状有着不同程度影响;在单轴压缩情况下,拉压子午比参数Q0、最小失效应变εpm对损伤软化方程中失效应力面与残余应力面间的曲线形状有着一定程度影响,但在三轴压缩情况下,Q0和εpm取值的变化对应力-应变曲线无影响;在单轴压缩情况下,压缩屈服面参数gc*对曲线弹性段、线性强化段以及损伤软化方程中失效应力面与残余应力面间的曲线形状有着重要影响,但在三轴压缩情况下,gc*取值的变化对应力-应变曲线无影响;孔隙度指数N、孔隙压实时压力pcomp、失效面参数A、失效面指数n和剪切模量缩减系数ξ对曲线的线性强化段以及损伤软化方程中失效应力面与残余应力面间的曲线形状度有着不同程度的影响;残余应力强度参数Af和残余应力强度指数nf对损伤软化段的曲线形状有着重要影响;为了验证B和gt*在多种材料作用下的敏感性,对混凝土、闪长岩、石灰岩的模型参数计算模型,单一改变B或者gt*的取值,利用LS-DYNA对三种材料进行单轴压缩、单轴拉伸和三轴压缩进行了数值模拟,计算结果显示:B和gt*可取定值,鉴于B和gt*试验获取难度较大,本文建议选用混凝土相关参数取值,即B=0.0105、gt*=0.7;(4)详细研究分析了21个RHT模型参数的确定方式,对于A、n、fs*、ft*、 Q0、gc*、ξ、D1、εpm、Af、nf、pcomp和N等RHT模型中较难获取的参数,提出了以静力学试验、声波测试试验以及SHPB中击试验为基础,LS-DYNA数值模拟SHPB冲击试验为手段,通过正交试验对参数A、n、fs*、ft*、Q0、gc*、ξ、D1、 εpm、Af、nf、pcomp和N进行确定的方法;(5)利用本文提出的RHT模型参数确定方法,以静力学试验、声波测试试验以及SHPB冲击试验为基础,LS-DYNA数值模拟为手段,通过将正交试验模拟结果与SHPB冲击试验曲线进行对比研究,完成了花岗岩、大理岩和红砂岩模型参数A、n、fs*、ft*、Q0、gc*、ξ、D1、εpm、Af、nf、pcomp和N的测定,得到了花岗岩、大理岩和红砂岩的RHT模型参数;并采用本文所确定花岗岩RHT模型参数,利用LS-DYNA对弹丸侵彻花岗岩靶进行数值模拟,模拟结果与文献试验结果的较好吻合说明了所采用材料模型参数的正确性,证明了本文提出的RHT模型参数确定方法的有效性。
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