巖石試件的案例
基于LS-DYNA的SHPB霍普金森壓桿模擬巖石破壞形態(tài)
在進行巖石類試驗時，由于巖石試件可能會突然斷裂，因此在試樣上貼應(yīng)變片往往會產(chǎn)生不可避免的誤差，而SHPB試驗系統(tǒng)可以有效避免這一現(xiàn)象，因此被廣泛應(yīng)用于巖土領(lǐng)域的動力學研究中。巖石的力學性質(zhì)具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，研究巖石的動態(tài)力學性能，能夠為精細化爆破、圍巖保護、優(yōu)化爆破和支護參數(shù)提供依據(jù)，對高效破巖、改善破巖效果、提高巷道掘進速度以及保障煤礦井下安全有重要意義。
LS-DYNA軟件可以準確的模擬出這一實驗過程，目前在學術(shù)論文中非常常見，關(guān)于相關(guān)的教學資料也較多。事實上，SHPB數(shù)值模擬建模較為容易，但在進行仿真時，往往受限于損傷本構(gòu)模型而無法直接模擬出巖石試件的破壞形態(tài)。這就需要引入單元侵蝕準則，關(guān)于這一關(guān)鍵字可以在我以往帖子中或關(guān)鍵字手冊中詳細了解。我們可以根據(jù)試樣在沖擊時的受力模式，針對性的添加單元侵蝕準則，從而可以模擬出真實的巖樣破碎形態(tài)。動態(tài)壓縮和劈裂的模擬結(jié)果展示如下：
（1）動態(tài)壓縮
（2）動態(tài)劈裂
另外，SHPB模擬也應(yīng)注重入射波的整形問題，盡量避免矩形波的出現(xiàn)，我們可以通過建立紡錘形彈體或變截面入射桿來將入射波整形為標準的半正弦波。事實上，目前更流行的是直接對入射桿端面加載自己試驗打出來的波形，這樣反而更能真實地模擬出自己試驗時的三波波形。
展開 巖石單軸壓縮試驗數(shù)值模擬 ￥20
采用ls-dyna數(shù)值模擬軟件，對于巖石試件進行單軸及三軸壓縮試驗?zāi)M，提供K文件及講解服務(wù)。案例為單軸壓縮，三軸試驗可以進行講解。
使用伺服控制(Servo Control)函數(shù)進行數(shù)值試驗
1 引言
數(shù)值模擬的其中一個用途是做仿真試驗(巖石力學---從物理試驗到數(shù)值試驗)，通過數(shù)值地改變巖石試件的幾何形狀，材料性質(zhì)和加載條件，來觀察巖石的應(yīng)力應(yīng)變行為。例如，在《應(yīng)變軟化模型(Strain-Softening and IMASS)》中，猜想單元尺寸可能影響了剪切帶的生成(左圖)，為了驗證這種想法，把單元最大邊長設(shè)置為原來的一半(max-edge 0.125), 運行了200萬時步，其結(jié)果如下圖(右圖)所示。
應(yīng)力-位移圖顯示在應(yīng)力達到峰值以后，出現(xiàn)了短暫的震蕩，隨后逐漸平穩(wěn)。這個現(xiàn)象在前面的試驗中沒有觀察到，這充分說明了單元尺寸對材料應(yīng)變軟化行為的影響。試樣的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)表明，在達到峰值強度后，材料會發(fā)生軟化。
在數(shù)值模擬中，加載速率(rate of loading)引入了慣性效應(yīng)(inertial effects)，如果突然施加速度，慣性效應(yīng)在初始階段將占主導(dǎo)地位，使得系統(tǒng)難以達到穩(wěn)態(tài)。為了消除這種慣性效應(yīng)，可以通過監(jiān)測不平衡力并相應(yīng)地降低加載速率來得到控制。使用FISH函數(shù)可以自動控制加載速率，即所謂的伺服控制(Servo Control)，伺服控制能夠用來進行數(shù)值試驗。
2 伺服控制函數(shù)
伺服控制函數(shù)(SERVO.FIS)的作用是通過施加速度的伺服控制盡量減少慣性效應(yīng)對模型響應(yīng)的影響，在循環(huán)過程中，通過計算的最大不平衡力(maximum unbalanced force)動態(tài)地調(diào)節(jié)施加的載荷速度，防止不平衡力過高，控制其慣性效應(yīng)，從而使得。
為了調(diào)節(jié)施加的載荷速度，使用FISH SET命令設(shè)置不平衡力的上限(high_unbal)和下限（low_unbal）以及最大加載速度的上限(high_vel)來控制。加載速度也是通過指定一個上限（high_vel）來控制的。
展開 單軸抗壓強度UCS(Unconfined Compressive Strength)的取值考慮
(3) 英國的一些工程手冊,例如BS5930曾提出過在現(xiàn)場使用地質(zhì)錘錘擊巖石來回歸UCS值(類似于土力學中判別土堅硬程度的方法), 但在我的印象中, 北美的工程實踐好像不建議這么做.
4 UCS試驗的局限性
反過來說, 即使我們有條件做UCS試驗, 做出來的值也不一定代表巖石的真實值. 第一個可能出現(xiàn)的誤差因素是取樣質(zhì)量. 當我們做試驗時, 總是選擇一些具有"代表性"的試樣, 這些試樣至少能滿足進行正常壓力測試的要求, 這無疑忽視了真實巖石的差異性; 第二個可能出現(xiàn)的誤差因素是試樣中可能包含著不連續(xù), 一般來說巖石試件的高度是10cm, 有時試件中正好包含著小的不連續(xù), 這將會導(dǎo)致UCS值出現(xiàn)誤差; 第三個可能出現(xiàn)的誤差因素是方向性, 如果完整的巖石表現(xiàn)出各向異性，那么測量的完整巖石強度取決于取樣的方向。
5 巖體強度
巖體具有強烈的尺寸效應(yīng), 隨著巖體試件尺寸的增大, UCS會逐漸降低. 在巖石工程中, 最廣泛使用的巖體強度估算方法是Hoek-Brown準則. Zhang and Einstein (2004) 提出使用RQD估算巖體的單軸抗壓強度和變形模量，但在實踐中必須非常小心地使用這些關(guān)系式。[(Deere's RQD---現(xiàn)代巖體工程分類方法的基石 (Part II); 基于RQD的巖石地基允許承載力估算]
6 數(shù)值試驗?
合成巖體(Synthetic Rock Mass)是近年來發(fā)展起來的數(shù)值模擬技術(shù), SRM是Bonded Particle Model 與 Smooth-Joints的結(jié)合, 使用線性平行粘結(jié)模型創(chuàng)建粘結(jié)顆粒模型，使用平滑節(jié)理模型模擬節(jié)理和裂隙。這種把DFN內(nèi)嵌到原巖模型的方法，能夠真實地模擬巖體內(nèi)節(jié)理的力學行為, 理論上可以直接獲取巖體的強度.
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