基于Abaqus的三维霍普金森杆模拟研究

1.背景

道路等应用岩石工程是国民经济建设的基础性工程之一，是社会发展进步的重要支撑。然而，在开挖过程中，变形、破坏等灾害严重影响了围岩的稳定性。通过研究岩石在3D应力状态下的变形规律，可以得到巷道的变形破坏机制，对于防灾和指导工程实施具有重要意义。准静态条件下岩石材料在单一应力和复杂应力的加载下，其力学性能和变形特性已经研究的比较充分，然而在复杂应力状态下，尤其是具有冲击扰动下的岩石变形和强度特性研究的很少。

2.有限元模型

根据实验室现有的三维霍普金森杆装置进行简易建模。

2.1发射系统：

撞击杆尺寸：外径40mm*400一支。

2.2杆件：X轴方向：入射杆长2000mm，透射杆长2000mm，吸收干长2000mm，各一支；Y轴方向：围压杆长：1500mm，2支；Z轴方向：围压杆长：1500mm，2支；杆件采用高强钢，经过热处理，屈服强度不小于900MPa，杆件为方形杆，截面为50mm*50mm。

2.3.试样尺寸：50mm*50mm*50mm。

2.4具体部件：

3.任务

观察试样在三轴应力状态下，沿着某一个方向冲击的材料动态响应。

4.abaqus模拟过程

4.1 创建部件：先创建三个方向的杆件和试样。

4.2 材料属性：

杆件和撞击杆的材料是钢：密度7850kg/m3 、杨氏模量和泊松比分别为：210Gpa、0.3。

试样材料：密度3000kg/m3、杨氏模量和泊松比分别为：210Gpa、0.3。

70Gpa、0.27。塑性屈服应力：100Gpa、塑性应变为0。

4.3装配：把试样装配在6根杆正交的中心。

4.4分析步：选择静力通用。

4.5相互作用：选择表面与表面接触。

4.6 载荷和边界条件：在6根杆的端面施加15Mpa的压强。将试样的边固定。

4.7 网格划分：

4.8 预应力结果：给试样施加上15Mpa的预应力。

4.9 复制模型：增加撞击杆和吸收杆，给撞击杆施加一个5m/s的初速度，把准静态加载产生的结果文件导入动载模型作为它的初始状态，如图

5.仿真结果

上图是冲击动载方向上的应力波波传播过程，红色线是入射杆的应力波，蓝色线是透射杆的应力波。（纵轴代表应力，单位Pa.横轴代表时间，单位s。）根据入射波，反射波，透射波信号，利用两波法可以求出试样的在冲击方向的应力，应变图，从而得到在复杂应力状态下，尤其是具有冲击扰动下的岩石变形和强度特性。

联立（2）和（3）即可得到试样材料在应变率为   时的动态应力-应变曲线。

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