A compressive split Hopkinson pressure bar (SHPB) technique is used to investigate the dynamic behavior of SM45C at high temperature. A radiant heater, which consists of one ellipsoidal reflector and one halogen lamp, is used to heat the specimen. Specimens are tested from $600^{\circ}C$ to $1000^{\circ}C$ at intervals of $100^{\circ}C$ at a strain-rate ranging from 1100/s to 1150/s. A critical phenomenon occurs between $700^{\circ}C$ and $750^{\circ}C$ in SM45C. This phenomenon results in the drastic drop in a flow stress. In a modified Johnson-Cook constitutive equation, a reducer function is used to take into account for the effect of the drastic drop in a flow stress. A reducer function, which is dependant on the temperature as well as the strain, is introduced and the parameters of the modified Johnson-Cook constitutive equation are determined from test results.
고 변형률 속도에 대한 소재의 동적 압축 물성은 고속 충돌 및 고속 성형 등 동적 환경에서의 유한요소 해석의 신뢰성 향상을 위해 필수적이다. 일반적으로 고 변형률 속도에 대한 소재의 동적 압축 물성은 SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar) 장비를 통해 획득 가능하다. 본 연구에서는 최근 무인 항공기에 확대 적용되고 있는 Woven type CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 소재에 대한 충돌 해석에 대응하기 위해 SHPB 장비를 활용하여 해당 소재의 동적 압축 물성을 획득하였다. 또한 Pulse shaper를 활용하여, Elastic-brittle 특성을 지니는 소재에 대한 일정한 변형률 속도 확보 및 실험 데이터에 대한 신뢰도를 향상시켰다. CFRP 소재의 경우 방향 별 기계적 물성이 다른 이방성 소재이므로 두께 방향과 면내 방향 시편을 제작하여 각각 실험을 수행하였다. SHPB 실험 결과 면내 방향 시편의 경우 일정한 변형률 속도 영역에 도달하기 전, 시편의 파단이 발생하여 데이터의 재현성 및 신뢰성 확보에 어려움이 있는 반면, 두께 방향의 시편의 경우 시편 전·후면 응력일치도가 우수하여 데이터 신뢰도가 높으며, 일정한 변형률 속도 영역을 획득할 수 있다. LS-dyna를 활용한 유한요소해석을 통해, 압력봉으로부터 측정되는 데이터는 시편과 압력봉의 변형에 의해 변형률이 과도하게 예측되는 것을 확인하였다.
It is essential to evaluate the blasting-enhanced permeability (BEP) feasibility of a low-permeability sandstone-type uranium deposit. In this work, the mineral composition, reservoir physical properties and rock mechanical properties of samples from sandstone-type uranium deposits were first measured. Then, the reformability evaluation method was established by the analytic hierarchy process-entropy weight method (AHP-EWM) and the fuzzy mathematics method. Finally, evaluation results were verified by the split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) experiment and permeability test. Results show that medium sandstone, argillaceous sandstone and siltstone exhibit excellent reformability, followed by coarse sandstone and fine sandstone, while the reformability of sandy mudstone is poor and is not able to accept BEP reservoir stimulation. The permeability improvement and the distribution of damage fractures before and after the SHPB experiment confirm the correctness of evaluation results. This research provides a reformability evaluation method for the BEP of the low-permeability sandstone-type uranium deposit, which contributes to the selection of the appropriate regional and stratigraphic horizon of the BEP and the enhanced ISL of the low-permeability sandstone-type uranium deposit.
The dynamic compressive behavior of concrete after freezing and thawing tests are investigated by using the split Hopkinson pressure bar (SHPB) technique. The stress-strain curves of concrete under dynamic loading are measured and analyzed. The setting numbers of freeze-thaw cycles are 0, 25, 50, and 75 cycles. Test results show that the dynamic strength decreases and peak strain increases with the increasing of freeze-thaw cycles. Based on the Weibull distribution model, statistical damage constitutive model for dynamic stress-strain response of concrete after freeze-thaw cycles was proposed. At last, the fragmentation test of concrete subjected to dynamic loading and freeze-thaw cycles is carried out using sieving statistics. The distributions of the fragment sizes are analyzed based on fractal theory. The fractal dimensions of concrete increase with the increasing of both freeze-thaw cycle and strain rate. The relations among the fractal dimension, strain rates and freeze-thawing cycles are developed.
Experimental study of the deterioration of high-temperature rock subjected to rapid cooling is essential for thermal engineering applications. To evaluate the influence of thermal shock on heated granite with different temperatures, laboratory tests were conducted to record the changes in the physical properties of granite specimens and the dynamic mechanical characteristics of granite after rapid cooling were experimentally investigated by using a split Hopkinson pressure bar (SHPB). The results indicate that there are threshold temperatures ($500-600^{\circ}C$) for variations in density, porosity, and P-wave velocity of granite with increasing treatment temperature. The stress-strain curves of $500-1000^{\circ}C$ show the brittle-plastic transition of tested granite specimens. It was also found that in the temperature range of $200-400^{\circ}C$, the through-cracks induced by rapid cooling have a decisive influence on the failure pattern of rock specimens under dynamic load. Moreover, the increase of crack density due to higher treatment temperature will result in the dilution of thermal shock effect for the rocks at temperatures above $500^{\circ}C$. Eventually, a fitting formula was established to relate the dynamic peak strength of pretreated granite to the crack density, which is the exponential function.
A comparison study is made between the dynamic properties of an argillaceous siltstone and its grouting-reinforced body. The purpose is to investigate how grout injection can help repair broken soft rocks. A slightly weathered argillaceous siltstone is selected, and part of the siltstone is mechanically crushed and cemented with Portland cement to simulate the grouting-reinforced body. Core specimens with the size of $50mm{\times}38mm$ are prepared from the original rock and the grouting-reinforced body. Impact tests on these samples are then carried out using a Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) apparatus. Failure patterns are analyzed and geotechnical parameters of the specimens are estimated. Based on the experimental results, for the grouting-reinforced body, its shock resistance is poorer than that of the original rock, and most cracks happen in the cementation boundaries between the cement mortar and the original rock particles. It was observed that the grouting-reinforced body ends up with more fragmented residues, most of them have larger fractal dimensions, and its dynamic strength is generally lower. The mass ratio of broken rocks to cement has a significant effect on its dynamic properties and there is an optimal ratio that the maximum dynamic peak strength can be achieved. The dynamic strain-softening behavior of the grouting-reinforced body is more significant compared with that of the original rock. Both the time dependent damage model and the modified overstress damage model are equally applicable to the original rock, but the former performs much better compared with the latter for the grouting-reinforced body. In addition, it was also shown that water content and impact velocity both have significant effect on dynamic properties of the original rock and its grouting-reinforced body. Higher water content leads to more small broken rock pieces, larger fractal dimensions, lower dynamic peak strength and smaller elastic modulus. However, the water content plays a minor role in fractal dimensions when the impact velocity is beyond a certain value. Higher impact loading rate leads to higher degree of fragmentation and larger fractal dimensions both in argillaceous siltstone and its grouting-reinforced body. These results provide a sound basis for the quantitative evaluation on how cement grouting can contribute to the repair of broken soft rocks.
The Hydraulically driven test system and ${\Phi}100mm$ split Hopkinson pressure bar(SHPB) test device were employed to research the quasi-static and dynamic mechanical properties of concrete specimens which has been immersed for 60 days in sodium sulfate (group S1) and sodium chloride (group S2) solution, the evolution of their mass during corrosive period was explored at the same time, and the mechanism of performances lost was analyzed from the microscopic level by using scanning electron microscope. Results of the experimental indicated that: their law of mass both presents the trend of continuous rising during corrosive period, and it increases rapidly on the early days, the mass growth of group S1 and group S2 in first 7 days are 76.78% and 82.82% of their total increment respectively; during the corrosive period, the quasi-static compressive strength of specimens in two groups are significantly decreased, both of which present the trend of increase first and then decrease, the maximum growth rate of group S1 and group S2 are 7.52% and 12.71% respectively, but they are only 76.23% and 82.84% of specimens which under normal environment (group N) on day 60; after immersed for 60 days, there were different decrease to dynamic compressive strength and specific energy absorption, and so as their strain rate sensitivities. So the high salinity environment has a significant effect of weaken the quasi-static and dynamic mechanical performance of concrete.
Annually, the global production of construction aggregates reaches over 40 billion tons, making aggregates the largest mining sector by volume and value. Currently, the aggregate industry is shifting from sand to hard rock as a result of legislation limiting the extraction of natural sands and gravels. A major implication of this change in the aggregate industry is the need for understanding rock fragmentation and energy absorption to produce more cost-effective aggregates. In this paper, we focused on incorporating dynamic rock and soil mechanics to understand the effects of loading rate and water saturation on the rock fragmentation and energy absorption of three different sandstones (Red, Berea and Buff) with different pore sizes. Rock core samples were prepared in accordance to the ASTM standards for compressive strength testing. Saturated and dry samples were subsequently prepared and fragmented via fast and dynamic compressive strength tests. The particle size distributions of the resulting fragments were subsequently analyzed using mechanical gradation tests. Our results indicate that the rock fragment size generally decreased with increasing loading rate and water content. In addition, the fragment sizes in the larger pore size sample (Buff sandstone) were relatively smaller those in the smaller pore size sample (Red sandstone). Notably, energy absorption decreased with increased loading rate, water content and rock pore size. These results support the conclusion that rock fragment size is positively correlated with the energy absorption of rocks. In addition, the rock fragment size increases as the energy absorption increases. Thus, our data provide insightful information for improving cost-effective aggregate production methods.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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