球面发散应力波作用下花岗岩本构关系

介质的动力学响应与应力加载方式密切相关，应力波的传播衰减又依赖于材料的动力学性能。地下装药爆炸时，在周围介质中激发的冲击波向外呈发散型传播，其应力水平较高的弹-塑性应力区的介质动力学特性主导着爆炸应力波的传播衰减，但该区域内材料的应力-应变状态与一维应力波或一维应变波作用时相比有显著区别，相对来讲最为复杂、被了解得最少，故通过发散波产生合适的介质变形动力学路径来研究其本构模型就十分重要。本课题拟利用中心起爆的微型炸药球和圆环型电磁粒子速度计相结合的球面发散波实验技术，通过测量花岗岩中的粒子速度流场数据，结合拉格朗日反分析方法解算出花岗岩在球面发散波加载下的动态数值本构关系。将数值本构关系和岩石材料的本构理论相结合，给出合适的花岗岩本构模型及其参数，使理论计算和实验结果之间形成自洽系统。该课题拟建立的岩石动态本构关系研究方法对于工程防护、矿山爆破、地震等领域研究也具有重要意义。

基于精密球形爆炸源加载实验技术，进行了不同当量球形爆炸下花岗岩的近区破坏或损伤特征的实验研究，为研究不同当量爆炸下沿径向分布损伤区的分区特征以及介质损伤在本构模型中的表征提供了数据基础。针对花岗岩介质中球面波传播规律的研究，课题组开展了不同药量下填实爆炸和球形空腔爆炸的研究，基于圆环型电磁粒子速度测试方法，给出了不同比例半径处的粒子速度波形。对于球面波加载技术而言，利用圆环型电磁粒子速度计测量粒子速度流场的技术已经成熟，测量精度很高；但应力测量对局部的介质条件比较敏感，其测量精度相对较低。针对目前存在的粒子速度和应力测量精度不匹配的技术难题，课题组首先开展了高精度PVDF应力计用于球面波加载测试的技术探索，并以有机玻璃（PMMA）材料作为测试材料，对径向应力和径向粒子速度联合测试技术进行研究，给出了不同半径处粒子速度波形和径向应力波形。经过对应力计安装位置（相对脉冲磁场方向）的优化，使脉冲磁场引入到PVDF应力计中的附加噪声降低，得到了高信噪比的粒子速度和径向应力数据。.基于黏弹性本构研究了黏弹性球面应力波的传播理论，给出了黏弹性球面应力波Laplace域的解析解。基于广义Maxwell模型，给出了黏弹性球面应力波传播系数的理论解，讨论了衰减因子和相速度的变化规律。采用Laplace数值逆变换算法计算了空腔爆炸条件下应力波的传播的特征。.以黏弹性球面波研究成果为基础，基于球面发散应力波加载下得到的不同介质中的径向粒子速度波形，开展了有机玻璃、混凝土、土、岩石等黏弹性参数反演的研究，建立了基于球面发散应力波加载技术和球面波拉格朗日反分析方法的黏弹性本构关系研究方法和由粒子速度流场信息反推介质非线性黏弹性本构参数的一般性方法。利用本方法给出的岩土、混凝土及高分子化合物等材料的黏弹性本构参数进行球面波传播的数值模拟，模拟结果和实验结果一致。