Page 61 - 《爆炸与冲击》2026年第8期

第 46 卷 周永旺，等： 基于动静态力学试验下的红砂岩Holmquist-Johnson-Cook本构与数值模拟研究 第 8 期

crack penetration, so that the peak stress increases with increasing hydrostatic pressure; (2) under different loading air

pressures, red sandstone exhibits a pronounced strain-rate effect, with both dynamic compressive and splitting tensile strengths
positively correlated with the average strain rate; (3) analysis of the dynamic increase factors for compressive strength (DIFc)
and tensile strength (DIFl) indicates that the strain-rate effect on the dynamic tensile peak stress is more pronounced. The
calibrated HJC constitutive parameters accurately reproduce the damage and fracture process of red sandstone under dynamic
impact in LS-DYNA; prior to the maximum peak stress, the stress-strain curves obtained numerically are essentially consistent
with the experimental curves. The calibrated parameters for this dense, high-strength red sandstone can serve as a reference for
future studies on the dynamic mechanical properties of red sandstone and for its engineering applications.
Keywords: red sandstone; Holmquist-Johnson-Cook constitutive model; LS-DYNA; split Hopkinson pressure bar
红砂岩作为一种广泛分布的沉积岩，在防护工程、采矿工程以及地质灾害防治等领域具有重要应用
价值，会承受爆炸、冲击、地震、地应力等载荷的作用 [1-3] 。在精确制导武器技术快速迭代背景下，具有战
略价值的地下指挥通信中心、能源与弹药储备库及防空设施等高价值目标正呈现显著的深埋-岩体化防
护趋势。但对岩石防护结构的动态响应机制、破坏模式及毁伤评估仍缺乏认知。
侵彻时岩石的破坏效应是亟需解决的问题 [4-6] 。岩石爆破过程由于涉及炸药能量的高速释放、岩石
内应力波的快速传播以及岩石损伤破坏等方面，实际的爆炸和侵彻试验的难度大、限制因素多，因此数
值模拟成为了研究岩石侵彻效应和爆炸破坏性能的有效手段之一 [7-9] 。

岩石动态力学模型的建立及相关参数的确定是决定数值模拟的正确性与否的关键因素。其中
RHT 模型 [10] 、KCC 模型 [11] 、Holmquist-Johnson-Cook（HJC）HJC 模型 [12] 在模拟岩石材料动态力学行为中
得到了广泛的应用。RHT 本构能很好描述损伤裂纹，但其所含参数较多，标定过程复杂。KCC 本构
在 LS-DYNA 软件中可根据抗压强度来自动生成部分参数，自动生成的参数主要适用于混凝土材料 [13] 。
相对于 RHT 模型和 KCC 模型， HJC 本构模型的参数相对较少、物理意义明确，能够很好地描述材料在
强 动 载 作 用 下 的 力 学 行 为 ， 在 岩 石 的 动 态 力 学 研 究 中 得 到 了 广 泛 应 用 。 目 前 研 究 人 员 确 定 岩 石 的
HJC 参数的主要方法是通过岩石的相关力学试验进行标定，结合数值计算进行验证。如方秦等 [14] 基于
三轴试验、Hugoniot 试验和 Hopkinson 压杆试验数据，来确定 HJC 模型的参数，并利用 LS-DYNA 对
Salem 石灰岩的弹体侵彻试验进行了数值模拟，表明了所确定的 HJC 本构模型参数和确定方法的合理性
和有效性。石祥超等 [15] 对灰砂岩进行了三轴压缩试验，并得到了灰砂岩 HJC 本构参数，采用 Autodyn 进
行了模拟分析，并对各个参数的敏感度进行了分析。闻磊等 [16] 对不同冻融次数下的花岗斑岩 SHPB 试
验进行了模拟，得到了不同冻融次数下的花岗斑岩 HJC 本构参数。由此可见，HJC 本构模型在高压、大
应变、高应变率工况的数值模拟计算中实现了简单性和准确性的良好折中。
目前针对脆性材料的动力学研究大量集中在混凝土、特种陶瓷等领域 [17-20] ，对致密高强度红砂岩的
相关动静态力学和相应 HJC 本构参数的研究较少。本文中利用三轴试验机和分离式霍普金森杆（split
Hopkinson pressure bar, SHPB）装置分别开展不同围压下和不同应变率下红砂岩的力学特性研究，并基于
试验对红砂岩的 HJC 本构模型参数进行确定。采用 LS-DYNA 有限元软件进行数值模拟，开展与动态压
缩试验的对比验证，以期为红砂岩的侵彻、爆破等问题提供参考。

1 HJC 本构模型简介

HJC 本构模型是由 Holmquist 等 [12] 提出的，主要包括 3 个部分：强度方程、状态方程以及损伤方
程。HJC 模型考虑了高静水压力、高应变率和材料的损伤效应。在 HJC 本构模型中，强度方程包含极限
µ crush ；
面参数 A 、 B 、 N 、 S max 和率效应系数 C ；状态方程包含压力参数 K 1 、 K 2 、 K 3 、 p crush 、 p lock 、 µ lock 和
ρ ，
损伤方程参数包含 D 1 、 D 2 、 E min ，相应的基本力学参数有抗压强度 f c 、剪切模量 G 、抗拉强度 T 和密度
共计 19 个参数。

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