霍普金森杆下煤冲击劈裂的时空变形与裂隙研究

本研究论文《基于变形场时空演化的煤冲击劈裂试验研究》由韩秀会、李成武、邢同振和高平波等学者合作完成，发表于2016年的《煤炭学报》第41卷第11期。该研究主要关注煤炭在受到冲击载荷时的力学行为，特别是探讨冲击劈裂过程中的变形场时空演化规律及其裂隙扩展特性。 研究采用了霍普金森杆冲击加载装置，这是一种常见的用于模拟高速冲击力的设备。通过搭建高速摄影机数据采集系统，研究人员运用数字散斑相关法（一种测量物体微小位移的精密技术）来观察和分析实验过程中的变形场。他们对巴西圆盘形状的煤样进行实验，考察其在冲击作用下的响应。 实验结果显示，冲击载荷初期，煤样的变形场相对均匀，但随着荷载增加，变形呈现出明显的局部化特征。变形场的时空演化可以分为两个阶段：在冲击峰前，水平方向的变形量值变化迅速，而垂直方向的变化相对较慢；冲击峰值过后，裂隙的发展导致水平方向的变形变得缓慢，而垂直方向则加速变化。 在加载过程中，霍普金森杆在试样两端造成了局部压碎区域，这是冲击力导致的结构破坏现象。主要裂纹在此区域萌生，并沿着径向加载方向扩展，直至贯穿整个试样，造成完全破坏。值得注意的是，实验中发现，尽管冲击加载使得煤样的峰前应力随应变线性增长，其弹性模量相较于静荷载有所提升，但由于存在压碎区，冲击加载得出的煤试件拉伸强度相比于实际情况可能会偏低。 这项研究对于理解和预测煤炭在冲击载荷下的力学行为具有重要意义，对于煤炭开采、破碎过程中的安全评估以及材料性能的优化设计等方面提供了有价值的实验数据和理论依据。同时，它也展示了数字散斑相关方法在材料科学实验中的有效应用，为后续的动态断裂力学研究奠定了基础。