溫度圍壓影響下鹽巖的SHPB實(shí)驗(yàn)

張 凱，陳榮剛

(陸軍軍官學(xué)院，合肥 230031)

在能源(石油、天然氣、核燃料)的地下存儲(chǔ)中，工程材料受到溫度和三向圍壓荷載的影響，這需要對(duì)材料在溫度圍壓耦合環(huán)境下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行研究。鹽巖以其良好的密封性、低滲透性和損傷自愈合性成為地下存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的主要工程材料。在一些極端條件下，如震動(dòng)、碰撞、爆炸、侵徹等情況中，鹽巖材料的力學(xué)性能高低決定著地下存儲(chǔ)洞庫(kù)的性能。由此可見(jiàn)，研究鹽巖材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能有著重要的意義。

分離式Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)自1949年由Kolsky提出后，經(jīng)過(guò)幾十年的不斷改進(jìn)和完善，已成為材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的重要研究手段，其涉及材料的應(yīng)變率范圍(102～104s－1)也是工程上關(guān)心的范圍。目前，SHPB的溫度實(shí)驗(yàn)主要有2種方案:①試件單獨(dú)加熱，并快速對(duì)桿。此種方法可以消除桿上溫度梯度對(duì)應(yīng)力波產(chǎn)生的影響，在數(shù)據(jù)處理方面比較方便。②桿與試件同時(shí)加熱。此種方法的實(shí)驗(yàn)裝置和過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，但在高溫實(shí)驗(yàn)中，溫度梯度會(huì)影響應(yīng)力波的傳播，需要對(duì)波形進(jìn)行修正。

張方舉等［1］針對(duì)第1種溫度實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)了一種快速對(duì)桿裝置，該裝置用0.4 MPa的氣壓推動(dòng)導(dǎo)桿進(jìn)入爐內(nèi)，并與試件接觸。導(dǎo)桿與試件之間的接觸存在震蕩，直到85 ms后達(dá)到穩(wěn)定的組裝狀態(tài)。同時(shí)，導(dǎo)桿與試件存在“冷接觸”現(xiàn)象，使得試件中心和兩端的溫度有差異，導(dǎo)致試件溫度不均勻。冷接觸時(shí)間在400 ms以?xún)?nèi)，試件的溫度不均勻性可以控制在10%以?xún)?nèi)。針對(duì)第2種溫度實(shí)驗(yàn)方案，夏開(kāi)文［2］利用傳熱學(xué)的原理推導(dǎo)出壓桿上的溫度分布，利用有限差分的方法修正了實(shí)測(cè)波形，最高達(dá)到600℃，但這種方法的處理過(guò)程比較復(fù)雜。周?chē)?guó)才［3］在附有加溫爐的實(shí)驗(yàn)裝置上，為研究溫度梯度的影響設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)化的模型，采用數(shù)值計(jì)算進(jìn)行修正，提出了精度適當(dāng)?shù)募僭O(shè)，并且進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。除此以外，肖大武等［4］為了延長(zhǎng)壓桿的使用壽命，降低高溫實(shí)驗(yàn)中的壓桿溫度，在試件端面和壓桿之間加上一對(duì)陶瓷短桿，結(jié)合有限元模擬進(jìn)行研究，結(jié)果表明，在800℃實(shí)驗(yàn)條件下，陶瓷短桿及溫度梯度場(chǎng)帶來(lái)的影響在試樣進(jìn)入塑性變形段后可以控制在5%以下。還有人采用異形壓桿，加工不同的截面壓桿來(lái)抵消溫度梯度對(duì)壓桿產(chǎn)生的影響，從而不需要對(duì)壓桿的波形進(jìn)行修正。這種方法滿(mǎn)足不了不同溫度下的實(shí)驗(yàn)條件，使實(shí)驗(yàn)的成本增加。

盡管前人對(duì)于SHPB高溫實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，但尚未考慮到三向圍壓對(duì)試件動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。地下儲(chǔ)存庫(kù)的埋深［5］一般為1000～1500 m，鹽巖材料工作在150℃以?xún)?nèi)的溫度下無(wú)需進(jìn)行鹽巖的高溫實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中可以忽略溫度對(duì)于應(yīng)力波的影響［2］。同時(shí)，為了給鹽巖試樣加上三向圍壓，本文在高溫實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種溫度圍壓耦合加載的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)鹽巖試樣進(jìn)行了高應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)。首先利用Solidworks simulation程序?qū)Υ藢?shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了穩(wěn)定溫度場(chǎng)的仿真，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果加以驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)的裝置如圖1所示，建立在Φ75 mm分離式Hopkinson壓桿(SHPB)的基礎(chǔ)上，加壓裝置由2個(gè)推動(dòng)支座、油壓機(jī)以及溫度圍壓裝置組成，入射桿和阻尼桿上各有1個(gè)推動(dòng)支座，透射桿右端面緊貼推動(dòng)支座(阻尼桿上)左端蓋，其內(nèi)部壓力的大小由油壓機(jī)控制，所以2個(gè)推動(dòng)支座內(nèi)的壓力是相等的。同時(shí)，推動(dòng)支座之間設(shè)有一對(duì)拉桿，用來(lái)平衡桿對(duì)支座的反作用力。當(dāng)油壓機(jī)加壓時(shí)，推動(dòng)支座推動(dòng)2根桿壓緊試件表面，從而使試件的2個(gè)端面受到壓力。溫度圍壓裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，其內(nèi)部的壓力也是由油壓機(jī)控制的，油壓機(jī)加壓時(shí)，裝置內(nèi)的油壓可以加載到試件的環(huán)向表面。

加溫裝置由電源、加熱電阻絲、熱電偶探頭、繼電器和控溫儀組成?？梢允孪仍O(shè)定實(shí)驗(yàn)所需的溫度，通過(guò)溫控儀保持溫度的穩(wěn)定。由于爐壁是金屬材質(zhì)，所以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要在爐壁的外表面包上一層石棉，減少裝置的散熱，保持裝置內(nèi)溫度的穩(wěn)定。由于存在油壓，所以在引出內(nèi)部信號(hào)源的同時(shí)，要保證裝置的密閉性。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 溫度圍壓裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)中，在入射桿的撞擊面貼上圓形的橡膠整形器，用來(lái)過(guò)濾入射波中的高頻分量并延長(zhǎng)加載時(shí)間。本研究在桿上貼上4組應(yīng)變片，這樣，示波器中可以顯示4個(gè)通道信號(hào)，防止了實(shí)驗(yàn)中因應(yīng)變片打壞而采集不了數(shù)據(jù)的情況發(fā)生，保證了波形信號(hào)的采集。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬

在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用了Solidworks Simulation有限元仿真程序?qū)Π}巖試件、桿、溫度圍壓裝置在內(nèi)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)定溫度場(chǎng)的分析。在建模的過(guò)程中，按照實(shí)物的尺寸1∶1建模，取試件尺寸Φ75 mm×35 mm，桿的長(zhǎng)度500 mm。對(duì)模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，忽略了爐體上孔和螺栓部分以及石棉的影響。由于整個(gè)封閉的爐體具有對(duì)稱(chēng)性，只取模型的1/8進(jìn)行建模，如圖3所示。

熱傳遞主要分為熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。傳導(dǎo)是固體中熱傳遞最重要的方式，固體和流體(液體或氣體)之間的傳熱稱(chēng)為熱對(duì)流。而熱輻射則是物體的熱能通過(guò)電磁波向外發(fā)射的過(guò)程。本研究溫度圍壓裝置的腔體是封閉的，根據(jù)傳熱學(xué)的知識(shí)，內(nèi)部的主要傳熱方式是熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流，熱輻射的影響很小，忽略不計(jì)。分別對(duì)模型定義材料、熱載荷和邊界條件，并對(duì)模型劃分網(wǎng)格，進(jìn)而進(jìn)行求解，可得出如圖4所示的穩(wěn)定溫度場(chǎng)。

圖3 溫度圍壓裝置(1/8模型)

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置加溫過(guò)程中的穩(wěn)定溫度場(chǎng)

從仿真的結(jié)果可知，當(dāng)加熱絲的溫度為110℃時(shí)，由于爐壁外表面有石棉包裹，所以爐壁的溫度穩(wěn)定在58℃，而桿與空氣存在自然對(duì)流，所以桿上存在溫度梯度，最低溫度為32.7℃。對(duì)于試件來(lái)說(shuō)，試件兩端分別與入射桿和透射桿相接觸，故試件端面的中心處溫度最低，為78.72℃，而試件表面的溫度為88℃，整個(gè)試件的平均溫度為82.64 ℃。同理，分別對(duì)加熱絲溫度為50、70、90、110、130、150℃情況下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析，得到類(lèi)似的溫度場(chǎng)分布。

3 加溫實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在對(duì)鹽巖試件撞擊之前，首先要進(jìn)行加溫實(shí)驗(yàn)。實(shí)際上不可能直接測(cè)到試件中心的溫度，所以，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，利用溫控儀設(shè)定溫度確定試件表面的溫度和試件中心的溫度。加溫實(shí)驗(yàn)中采取2塊試件，其接觸面的邊緣和接觸面的中心分別放置1個(gè)熱電偶K1、K2，分別用來(lái)測(cè)量試件的表面溫度T1和中心溫度T2。如圖5所示。

圖5 加溫實(shí)驗(yàn)示意圖

實(shí)驗(yàn)中，把溫控儀的指數(shù)T0分別設(shè)定在50、70、90、110、130、150 ℃，得到試件內(nèi)部溫度的時(shí)間歷程曲線(xiàn)，如圖6所示。

圖6 試件內(nèi)部溫度的時(shí)間歷程曲線(xiàn)

可見(jiàn)，為了使試件溫度趨于穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)于溫控儀設(shè)定的6種溫度，分別需要加熱70、110、140、190、220、260 min以上。等溫度數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定時(shí)，通過(guò)熱電偶測(cè)到試件的表面溫度和中心溫度的數(shù)據(jù)，與仿真得出的數(shù)據(jù)相比較，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，溫控儀溫度T0、試件表面溫度T1以及試件中心溫度T2之間呈線(xiàn)性關(guān)系。隨著控制溫度的升高，試件表面的溫度與試件中心的溫度差變大。數(shù)值模擬的結(jié)果可以認(rèn)為是可靠的，對(duì)其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，得出線(xiàn)性公式:

根據(jù)上述公式，實(shí)驗(yàn)中，除了常溫常壓這種工況外，為了使試件中心溫度T2達(dá)到40、60、80℃，只需要將溫控儀的溫度T0調(diào)至55、82、110℃即可，同時(shí)分別給試件加上0.25、0.5 MPa的三向圍壓進(jìn)行研究。結(jié)合4種溫度、3種圍壓，可以做出12種不同工況下的鹽巖動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，能比較全面地反映出溫度和圍壓對(duì)鹽巖的影響，得到鹽巖較為完整的本構(gòu)關(guān)系。

圖7 試件的實(shí)驗(yàn)溫度與仿真溫度相比較

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在高溫分離式Hopkinson壓桿(SHPB)實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種溫度圍壓裝置，用于進(jìn)行鹽巖材料的高應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)，得到了適合研究鹽巖在高應(yīng)變率、溫度圍壓耦合條件下本構(gòu)關(guān)系的一種實(shí)驗(yàn)方法。由于巖石試件內(nèi)部含有不同的成分顆粒，而各個(gè)成分顆粒的傳熱效果并不相同，并且，因?yàn)檠b置密閉性的要求，沒(méi)有在試件的表面放置更多的熱電偶測(cè)其溫度，在下一步的工作中，需要繼續(xù)改進(jìn)。

［1］張方舉，謝若澤，田常津，等.SHPB系統(tǒng)高溫實(shí)驗(yàn)自動(dòng)組裝技術(shù)［J］.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2005，20(2):281 －284.

［2］夏開(kāi)文，程經(jīng)毅，胡時(shí)勝.SHPB裝置應(yīng)用于測(cè)量高溫動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究［J］.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，1998，13(3):307－313.

［3］周?chē)?guó)才，胡時(shí)勝，付崢.用于材料高溫動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的SHPB 技術(shù)［J］.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2010，25(1):9 －15.

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