冲击载荷下散体岩石材料动态响应的实验与仿真研究

冲击载荷下散体岩石材料的力学行为研究是矿业工程、爆破工程、防护工程等领域所关心的重要问题。目前，由于散体材料力学行为的复杂性，关于这一课题的实验与理论研究还处于探索阶段。本课题采用实验研究、力学模型建立、算法与程序开发、软件研发相结合的研究方法，达到提出描述散体岩石材料在冲击荷载作用下动态响应的系统的实验与理论方法的目的。主要研究内容包括：设计散体岩石材料在冲击荷载下力学行为实验的夹具、载荷源、数据采集、传输与记录的实验方法，从而识别散体颗粒在挤压流动过程中的变形与分裂机理；在连续介质力学、离散元法、计算几何相结合的基础上，提出考虑率相关效应的可变形与可分裂单元的离散元法的基本理论；开发数值计算与可视化程序；形成散体材料在冲击荷载下力学行为模拟的软件系统；进行实验与理论模拟的对比研究。从而为涉及散体岩石材料在冲击载荷下力学行为的相关工程领域提供借鉴。

散体岩石材料在自然界中广泛存在，冲击荷载下散体岩石材料的力学行为研究是岩土工程、采矿工程、选矿工程、爆破工程、水利工程、防护工程、铁道工程与化工制药等领域的重要研究课题。然而，由于散体材料的力学行为的复杂性，其实验与理论研究还处于探索阶段，完整的实验方法和理论体系尚未形成。本课题采用试验研究、力学模型建立、算法与程序开发、软件研发相结合的研究方法，系统的研究了散体岩石材料在冲击荷载作用下的动态响应过程。主要研究内容如下：（1）设计散体岩石材料在冲击荷载下力学行为的试验装置、荷载源、数据采集、传输与记录的试验方法；（2）建立描述散体颗粒破碎过程的离散元理论；（3）开发模拟散体材料流动与破碎的可视化程序。通过对以上内容的研究，设计了多落锤毫秒延期加载实验系统，可以较好的模拟实际加载情况；设计了用于监测散体材料流动试验中各颗粒实时位置的装置；研发了初始构形生成算法、单个颗粒网格剖分算法、颗粒体系的网格剖分算法，提出了可分裂与可变形单元的力学模型；在上述所开发算法的基础上，基于Visual Studio 2003.net开发平台，应用C++语言，结合STL算法库与OpenGL图形库，开发散体材料流动与破碎的模拟程序；通过模拟结果与试验结果分析对比，验证程序的可靠性和稳定性。.按照计划完成了科研任务，取得了系列成果，其中SCI收录5篇，获授权发明专利1项，实用新型专利4项，软件著作2项，专著1项，培养博士生2名，硕士生4名，荣获6项科研奖励。