激波管中冲击波与砂层相互作用的实验研究

发布时间：2017-04-09 21:03

  本文关键词：激波管中冲击波与砂层相互作用的实验研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：地震、土中爆炸、爆炸冲击防护等过程中涉及到冲击波与颗粒骨架的相互作用,及渗透气流与颗粒层压缩之间的相互耦合等问题。本论文基于激波管技术建立了冲击波与石英砂颗粒层相互作用的实验平台,研究了冲击波在不同石英砂样本中的波系演化,及砂体的冲击应力-应变响应。给出了渗透气流、颗粒尺寸、含水量等变量对上述问题的影响。本研究工作为评价颗粒材料防护屏障的冲击吸能特性提供了理论基础。实验通过记录砂层冲击压缩过程的高速摄影图片,描述了砂层在冲击过程中的运动轨迹,提取出了不同深度处砂层的压缩量,进而计算出压缩应变随砂层深度的变化。通过砂层侧壁不同深度处和尾端的孔压及总压随时间的变化规律,描述了砂层内部透射波和压实波的运动轨迹及速度变化。进入到砂层中的透射波演化为上升速率随深度减小的压缩波,浅层的孔压幅值会最终上升到P5;压实波具有尖锐的初始峰,宽度不超过1ms,此后浅层的压实应力在稀疏波的影响下迅速衰减,而深层的压实应力会稳定在某个远小于P5的压强。渗透气流能够明显增大孔压的幅值和上升的速率,使浅层应力峰值略有增加,但对深层应力影响不大。砂粒尺寸变大致使砂层孔隙率和渗透率变大,渗透气流影响更明显,从而孔压变大。含水砂体中的孔压以及浅层压实应力均随着含水量的增加而上升,前者由于液体中传播的透射波对孔压的贡献增大,后者由于液膜的润滑效应导致摩擦耗散被削弱。而由于冲击排水及底部液体渗出,深层中压实应力与含水量的相关性不显著。通过将砂层侧壁和尾端压实应力的峰值作为砂层侧向和轴向应力的近似,得到了不同样本的应力-应变关系。发现渗透气流强化了砂层的冲击响应,其动态杨氏模量明显高于排除渗透气流的情况。少量的间隙水使得砂层更为难以压缩,动态杨氏模量增大;排水效应随着含水量增大而越发明显,留下的大量孔隙导致砂层软化,更容易压缩。通过粒径分析仪定量获得了冲击后砂粒的破碎程度,发现气流渗透受阻的砂层内,由于应力形成过程拉长,砂粒破碎效应增强;有效应力较大的含水砂层内砂粒的破碎效应也增强。
【关键词】：激波管 冲击压缩 砂层 波系结构 渗透气流 间隙液体 应力应变
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU435
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-14
• 第1章 绪论14-24
• 1.1 研究背景和意义14
• 1.2 国内外研究现状14-22
• 1.2.1 描述颗粒层内部波系结构14-18
• 1.2.2 渗透气流对波系结构的影响18-20
• 1.2.3 颗粒层厚度对波系结构的影响20-22
• 1.3 本文主要研究内容22-24
• 第2章 建立实验体系24-37
• 2.1 立式激波管及实验段结构25-27
• 2.2 压力测试系统27-29
• 2.3 校验入射冲击波条件可重复性29-30
• 2.4 样品界面处载荷分析30-32
• 2.5 准备石英砂颗粒样品32-34
• 2.6 布置高速摄影系统34-36
• 2.7 本章小结36-37
• 第3章 分析砂层在冲击加载下的运动过程37-45
• 3.1 描述砂层在冲击过程中的运动轨迹38-42
• 3.2 描述砂层向下运动产生的压缩应变42-44
• 3.3 本章小结44-45
• 第4章 砂层中压强曲线的实验研究45-69
• 4.1 连续冲击实验次数对压强信号的影响45-49
• 4.2 压强信号随砂层深度的变化49-53
• 4.3 冲击诱导渗透气流对压强信号的影响53-57
• 4.4 冲击波与小粒径砂层样本之间的相互作用57-60
• 4.5 砂层含水量对冲击压强信号的影响60-67
• 4.6 本章小结67-69
• 第5章 砂层在冲击加载下的应力应变关系69-73
• 5.1 描述砂层冲击响应的应力应变关系69-72
• 5.2 本章小结72-73
• 第6章 砂粒的破碎效应73-84
• 6.1 砂层在一次实验后的破碎效应74-77
• 6.2 砂层在三次实验后的破碎效应77-81
• 6.3 砂层的平均破碎程度81-82
• 6.4 本章小结82-84
• 结论84-87
• 1 本文的主要结论84-85
• 2 本文的创新之处85
• 3 本文的不足之处85
• 4 研究展望85-87
• 参考文献87-91
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单91-92
• 致谢92

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