Page 109 - 《爆炸与冲击》2025年第12期

第 45 卷 第 12 期 爆 炸 与 冲 击 Vol. 45, No. 12
2025 年 12 月 EXPLOSION AND SHOCK WAVES Dec., 2025

DOI：10.11883/bzycj-2024-0436

基于不同本构模型下的白砂岩动态力学性能

仿真分析与实验验证 *

汪 腾 ，郑 光 ，郑宇轩 ，周风华 1
1
1,2
1
（1. 宁波大学冲击与安全工程教育部重点实验室，浙江 宁波 315211；
2. 南京航空航天大学宇航空间机构全国重点实验室，江苏 南京 211100）

摘要： 以三维霍普金森杆实验结果为基准，以某煤矿下的白砂岩作为研究对象，采用 Riedel-Hiermaier-Thoma (RHT)
模型、Holmquist-Johnson-Cook (HJC) 模型和连续面帽盖模型（continuous surface cap model，CSCM) 等 3 种典型岩石本构模
型开展仿真分析，对白砂岩在单轴、双轴和三轴预应力状态下的动态力学性能进行对比和验证。结果表明：白砂岩试
件的剪切破坏损伤随预应力的提高而减弱，三轴应力状态下岩石受到的损伤明显弱于单轴和双轴状态下的；基于
RHT 本构模型的仿真结果在应力波波形、峰值应力、峰值应变以及损伤程度上，与实验结果更贴合；单、双轴状态下
RHT 本构模型的仿真结果在反射波段的波峰应力与实验结果的相对偏差分别为 3.5% 和 13.6%，透射波段的波峰应力
与实验结果的相对偏差最小，且峰值应力和应变在数值上更接近实验值。RHT 本构模型仿真结果中的损伤状态与实
验结果中的损伤状态相似，单轴下呈现 U 形损伤特征；HJC 本构模型仿真结果中白砂岩试件在单轴下则呈现出大范围
V 形损伤特征，且发生断裂；CSCM 本构模型仿真结果中白砂岩试件仅在表面发生损伤，损伤范围较小。在能量吸收
和耗散方面，3 种本构模型仿真结果的差异性较小，3 种本构模型仿真得到的入射能、反射能和透射能基本保持一致。
此外，白砂岩试件的损伤程度随冲击速度的升高而提高。随冲击速度的升高，3 种本构模型对损伤的模拟结果均增
大，损伤特征均被保留。
关键词： 深部岩石；岩石本构模型；动态力学性能；动力学仿真；三维霍普金森杆实验
中图分类号： O347.3 国标学科代码： 13015 文献标志码： A

Simulation analysis and experimental verification of dynamic mechanical
properties of white sandstone based on different constitutive models

1,2
1
1
WANG Teng , ZHENG Guang , ZHENG Yuxuan , ZHOU Fenghua 1
（1. Key Laboratory of Impact and Safety Engineering， Ministry of Education, Ningbo University,
Ningbo 315211, Zhejiang, China;
2. National Key Laboratory of Aerospace Mechanism, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,
Nanjing 211100, Jiangsu, China）

Abstract: The dynamic mechanical properties of deep rocks are critical to understanding geological processes and optimizing
resource extraction. Accurately understanding the dynamic mechanical properties of deep rocks not only provides insights into
the geological processes and evolution of the earth’s interior, but also offers a theoretical basis for the effective extraction of
deep minerals and energy. In this study, the dynamic mechanical behavior of white sandstone from a coal mine was
experimentally and numerically analyzed under uniaxial, biaxial, and triaxial stress conditions. Numerical simulations based on
three constitutive models consisting of the Riedel-Hiermaier-Thoma (RHT) model, the Holmquist-Johnson-Cook (HJC) model,

* 收稿日期： 2024-11-07；修回日期： 2025-03-07
基金项目： 国家自然科学基金（12072169）
第一作者： 汪 腾（2001－ ），男，硕士研究生，2311090191@nbu.edu.cn
通信作者： 郑 光（1987－ ），男，博士，助理研究员，zhengguang@nbu.edu.cn

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