煤的动态力学性能测量方法及影响因素分析

作     者：姚本余 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈占清

授予年度：2019年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：SHPB 煤样 波形整形 应力均匀性 

摘      要：煤的动态力学性能测试是研究采动围岩应力场和位移场的基础,对于围岩破坏范围的确定以及支护方法的选择和优化具有重要意义。目前,煤SHPB试验由于弥散效应、煤样应力分布的非均匀性问题等影响,测试精度尚需进一步提高。本文综合运用实验室试验、理论分析和数值模拟等方法,对煤样冲击压缩试验中波形整形效果、波形弥散效应以及煤样应力均匀性展开系统研究,取得了如下研究成果:(1)介绍了一维应力波基础理论和SHPB技术。利用一维应力波理论得到了密度和弹性模量对煤样应力均匀性影响的一般规律。(2)分别用紫铜整形器和橡胶整形器进行了冲击压缩试验,得到了不同的入射应力波曲线,建立了整形器尺寸与波形特征的一般关系。分析了撞击杆尺寸对入射波形的影响,将撞击杆优化设计转化为四因素三水平的配合数值模拟试验;利用APDL命令流和Ls-dyna3D软件模拟了每组尺寸下的应力波曲线,得到了四个尺寸对波形的影响规律。(3)介绍了Ls-dyna3D软件中的接触算法。对比分析了不同的从惩罚刚度比例因子、主惩罚刚度比例因子和罚函数因子对透射波的影响,得到了适合煤与钢接触问题的参数值。(4)利用Ls-dyna3D软件,通过梯形波、三角形波和整形波在压杆中传播的比对分析,得到了减小波形弥散的理想波形。通过三维数值模拟,分析了入射波波形、煤样尺寸对煤样应力均匀性的影响,获得了满足煤样应力均匀性的煤样直径与高度区间。研究成果可为提高煤体SHPB测试精度提供参考。