基于HJC本构的岩石爆破损伤演化规律数值模拟

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:anknn21
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岩石爆破损伤演化规律与相关工程安全评估一直是岩土工程领域关注的焦点。由于爆破试验成本高、可控性差,而数值模拟能够弥补实验手段难以实时监控岩石爆破过程全方位信息的不足,因此逐渐成为爆破理论研究的重要手段之一。目前,基于传统有限元法模拟岩石爆破的方法中,流固耦合法应用较多且相对成熟,而如光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)法等新型无网格法还处于初步研究阶段。本文依次研究流固耦合法模拟岩石爆破时耦合范围的确定问题及基于Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型模拟探究岩石爆破损伤演化规律。此外,针对HJC的改进模型Riedel-Hiermaier-Thoma(RHT)本构模型的参数确定及SPH-FEM耦合法的应用等问题进行拓展研究。主要研究内容与结论如下:首先,采用流固耦合法模拟岩石单孔爆破,分别探究不同的装药半径、不耦合系数及网格精度等条件下流固耦合范围对模拟结果的影响,对岩石峰值应力衰减曲线、应力云图和应力时程曲线的收敛性进行分析,并考虑计算成本,得出一般岩石钻孔爆破的流固耦合范围合理取值为装药半径的5~10倍。然后,基于流固耦合法和HJC本构对岩石和节理岩体的爆破损伤开展模拟,结果表明随着装药不耦合系数的增大,岩石各损伤区范围均减小,且压碎区减小幅度小于裂隙区;岩石爆破损伤在炮孔径向上的分布特征可用Logistic函数来表征;岩性的不同会显著影响压碎区范围及压碎区与裂隙区的过渡界线形态;节理的存在会对爆炸波在岩体中的传播造成显著的影响,会形成独特的损伤演化路径及局部损伤强弱区。最后,对RHT模型的参数确定与SPH-FEM耦合法在岩石爆破模拟中的应用等问题进行了研究。通过基础实验和理论推导确定出一组初步参数,并结合参数敏感性分析对参数进行校正,确定出较为敏感的参数有ρ0、ρs、pe、G、fc、B、M和FG。此外,研究发现SPH-FEM耦合法能够逼真地模拟岩石爆破成坑与抛掷等现象,但在SPH与FEM界面耦合问题处理上仍存在不足。
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