Page 69 - 《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

1.20
10 s −1
−5
6.4 1.05 1.051 8 −5 −1 Experimental results of red sandstone
1.044 6 2×10 s 1.15 Fitting curve
5.6 1.04 10 s −1
−4
1.036 2 75 s −1 1.10 95% confidence band
4.8 1.03 −1 95% prediction band
σ * 1.020 1 108 s 1.05
4.0 1.02 1.019 5 127 s −1
σ * 3.2 1.01 1.009 9 167 s −1 σ * 1.00
1.006 9
1.004 8 190 s −1
2.4 1.00 1.000 0 258 s −1 0.95
*
0.332 6 0.333 0 0.333 4 0.333 8 σ =1.000 7+0.001 82lnε *
1.6 p * 0.90 C=0.001 82
0.8 0.85
0 0.80
0 0.2 0.4 0.6 −2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
p * lnε *
图 18 红砂岩在不同应变率下的归一化强度 图 19 应变率系数拟合曲线
Fig. 18 Normalized strength of red sandstone Fig. 19 Fitting curves of strain rate coefficient
under different strain rates

表 4 红砂岩 HJC 本构参数
Table 4 The HJC constitutive parameter of red sandstone
−3
ρ/(g·cm ) f c /MPa G/GPa T/MPa A B N C S max E min
2.40 119.5 13.484 4.74 0.234 1.832 0.80 0.001 82 7.0 0.01
p crush /MPa μ crush p lock /GPa μ lock K 1 /GPa K 2 /GPa K 3 /GPa D 1 D 2
39.83 0.001 77 1.211 0.044 9 23.78 64.36 150.24 0.038 72 1.0

4 红砂岩冲击破坏的数值模拟

4.1 SHPB 动态压缩模型建立
如图 20 所示，利用 LS-DYNA 数值模拟软 Transmission bar
件建立了 SHPB 动态压缩试验的有限元模型。
有限元模型由子弹、整形器、入射杆、透射杆和 Waveform shaper
红砂岩试件组成，具体尺寸大小根据 2.2.2 节的
实际情况确定，其中子弹、入射杆、透射杆采用
* M A T _ E L A S T I C 本 构 模 型 ， 整 形 器 采 用 Sandstone specimens
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 本构模型、红砂
Incident bar
岩试件采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_
CONCRETE 本构模型。子弹与入射杆定义面面
接 触 *CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_ Striker
TO_SURFACE，红砂岩试件同入射杆和透射杆 图 20 SHPB 动态压缩试验的有限元模型

定义侵蚀接触*CONTACT_ERODING_SURFACE_ Fig. 20 A finite element model for SHPB dynamic
TO_SURFACE。 compression test

4.2 SHPB 动态压缩试验与数值模拟的对比验证
图 21 显示了红砂岩试件在平均应变率为 127 s 时的动态断裂破坏过程，数值模拟结果与超高速的
−1
记录过程高度一致。在冲击加载下，t =100 μs 时，红砂岩试件受到应力作用，在试件的边缘和内表面形成
不连续拉伸裂纹网络，随着能量的不断积累，在 t =150 μs 时，不连续拉伸裂纹网络扩张形成连续贯通的
主裂纹，并在裂纹尖端伴随大量次生裂纹分叉。t =400 μs 后，试件沿着主裂纹进行分离，产生大量细粒喷
溅碎屑向四周扩散。

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