振 动 与 冲 击第22卷第3期JOURNA L OF VI BRATION AND SHOCKV ol.22N o.32003 土壤冲击特性的实验研究Ξ皮爱如 沈兆武 王肖钧 (中国科学技术大学力学与机械工程系,合肥 230026)摘 要 本文利用分离式H opkins on 压杆研究了土体在不同应变率条件下的冲击动态力学性能,发现土体有明显的应变率效应,与静载相比,冲击荷载下土的动强度和动模量均有很大的提高。
关键词:土,H opkins on 压杆,应变率效应中图分类号:O33,T U40 引 言建筑物地基和土工建筑物在动荷载作用下发生振动,土的强度和变形特性都要受到影响。
引起土体振动的振源分天然振源和人工振源两种。
地震、波浪力、风力都是天然振源,交通荷载、爆炸、打桩、机器基础都是人工振源。
冲击荷载作用下土动力学问题的应变范围很大,从精密设备基础振幅很小的振动到强烈地震、炸药爆炸或核爆炸的震害,剪应变从10-6到10-2,在这样广阔应变范围内的土动力计算中所用的特性参数,需要用不同的测试方法来确定。
早在1948年,美国学者卡萨格兰德(Cassagrande A )就设计了多种冲击试验仪[1],以测定冲击荷载作用下土的动力特性,以后各国学者继续对这一问题进行了研究。
土动力测试和其他土工测试一样,原位测试能得到代表实际土层性质的试验资料。
但是限于原位试验的条件和较大的试验费用,一般在原位只做小应变试验,在实验室内则可以做从小应变到大应变的试验。
室内常用的测试方法有超声波脉冲试验、共振柱试验、周期加荷的三轴试验,单剪试验和扭剪试验。
本文则采用分离式(<37mm )H opkins on 压杆来研究土壤在冲击荷载下的动力学特性。
1 冲击实验分离式H opkins on 压杆(简称SPH B )装置是研究材料应变率在102/s ～104/s 下的动态力学性能的重要装置,如图1所示。
它通常采用贴于金属压杆中部的应变片作为测量传感器,记录输入杆上的入射应变波εi 、反射应变波εr 和输出杆上的透射应变波εt ,然后根据一维应力波理论计算出试件上的动态平均应力、应变和应变率[2]。
SPH B 实验技术通过测量压杆上的应变来反推试件材料的应力应变关系,是建立在两个基本假定基础上的。
一个是一维假定(又称平面假定),另一个是均匀性假定。
根据一维假定,可直接利用一维应力波理论确定试件材料的应变率 ε(t )、应变ε(t )和应力σ(t ):ε(t )=Cl 0(εi -εr -εt )ε(t )=Cl 0∫t(εi-εr-εt)dt σ(t )=A 2A 0E (εi +εr +εt )(1)进而可得到试件材料的动态应力应变关系。
式中的应力、应变均以压为正,E 、C 和A 分别为压杆的弹性模量、波速和横截面积,A 0和l 0分别为试件的初始横截面积和试件长度。
根据均匀性假定,可得εi +εr =εt ,代入(1)式后可得到更简单的形式:ε(t )=-2Cl 0εrε(t )=-2Cl 0∫tεrdt σ(t )=A A 0E εt(2)有关该装置的详细介绍及其工作原理可参考文献[2、3]。
图1 H opkins on 压杆装置简图 本文所用的试件尺寸为<37×18mm 的圆柱形原状土体,土壤是密度为2056.99kg/m 3的干性黄土。
土体用特制的环切刀取得,保证土体尺寸的准确及尽可Ξ收稿日期:2002-11-06 第一作者 皮爱如 男,博士研究生,1973年5月生能要求土体的内部结构不被破坏。
同时加工若干个内径为37mm ,外径为50mm ,高度为26mm 的钢套,用于约束试件。
钢套的内径等于压杆的直径,以保证两根压杆传递的冲击载荷仅对套内的土体作用,并且这种作用是完全均匀的。
钢套内壁要求加工光滑,同时给予充分的润滑,以减小摩擦阻力。
试验分三组进行,应变率分别约为300s -1,500s -1,700s -1。
每组试验个做3次,试验结果光滑处理后取平均。
为了比较动静态下土壤的特性,在810MTS (Material T est System )仪器上做一组静态试验。
2 实验结果与分析讨论图2是应变率为291s -1时由应变片测得的典型波形图,入射应变波为εi 、反射应变波为εr 、透射应变波为εt 。
根据一维应力波理论,输入杆被撞击杆撞击后将产生矩形加载波,从图中可以看出入射应变波εi 确为矩形加载波。
据入射应变波为εi 、反射应变波为εr 和透射应变波为εt 之间的关系可以计算出试件轴向上的动态平均应力、应变和应变率。
图3为土体在810MTS 仪器上做静态加载试验得到的轴向上的应力-应变曲线。
图2 应变片测得的典型波形图图3 静态加载应力-应变曲线 图4 加载应力-应变曲线 为对比分析,将静态加载试验得到的土体轴向上的应力-应变曲线与试验计算出试件轴向上的动态平均应力-应变曲线绘制在同一图中(图4)。
图4中曲线1是静态加载应力-应变曲线,曲线2是应变率为291s -1时的冲击加载动态平均应力-应变曲线,曲线3是应变率为522s -1时的冲击加载动态平均应力-应变曲线,曲线4是应变率为658s -1时的冲击加载动态平均应力-应变曲线。
图4中曲线表明:与静载相比,冲击荷载下土的动强度和动模量均有很大的提高;在冲击荷载作用下,土体材料的弹性段不是很明显。
曲线2中冲击荷载加载到41.52MPa 后才卸载,对应的应变为8.41%;曲线3中冲击荷载加载到104.14MPa 后才卸载,对应的应变为14.23%,曲线4中冲击荷载加载到118.52MPa 后才卸载,对应的应变为14.81%。
可见,该土体材料有很明显的应变率效应,随着应变率的提高,应力迅速提高,应变也相应地提高。
3 结 论本文在分离式(<37mm )H opkins on 压杆上用干性黄土做了冲击载荷下的动态压缩试验,获得了三种应变率下的3组动态试验结果,并结合静态试验结果,初步探讨了土体的动态力学性能。
通过对土壤冲击特性的实验研究得出下述结论:1)利用分离式H opkins on 压杆来测试土壤的冲击特性是一种有别其它测试土壤动态特性的方法。
在冲(下转第20页)92第3期 皮爱如等:土壤冲击特性的实验研究 速度和轮胎动载荷的均方根响应增加。
车桥加速度均方根响应则随着车速的提高一直单调增加。
表2 五自由度汽车模型参数参数名称M s(kg)M b(kg)M p(kg・m2)M f(kg)M r(kg)数值7021003500140210参数名称K s K f K r K tf K tr 数值1220074000120000520000520000参数名称C s C f C r数值550180012004 结 论(1)本文提出了解决车辆非平稳响应的一种新方法———“瞬态空间频响函数法”。
用此函数可方便求得各响应的瞬时空间频谱和均方根响应。
该方法经验证有效可行,而且意义清楚,计算方便,便于实际应用。
(2)当车辆匀加速行驶时,系统非平稳响应的三维谱场分析表明:随着加速距离(时间或车速)的增加,路面的低频空间频率成分对车辆的响应起主要作用。
(3)随着加速距离(时间或车速)的增加,座椅和车身加速度功率谱峰值以及轮胎动载荷功率谱的低频峰值是非单调增加的,有局部减小的现象;车桥加速度功率谱峰值和轮胎动载荷功率高频谱峰值是单调增加的;悬架相对位移变化不大;车身角加速度非单调减少。
(4)车辆非平稳响应的均方根分析表明:车辆加速时,在开始阶段各响应值变化较大,而后的变化有一定的规律性。
(5)用本文提出的方法还可以进一步分析车辆的非线性平稳响应问题。
参 考 文 献1 张洪欣.汽车行驶平顺性的计算机模拟.汽车工程,1986(1): 21—312 D okainish M A,E lmadany M M.Random Response of T ractor-semi2 trailer System.Veh.Sys.Dyn.1980,9:87—1123 Hac A.Suspension Optimization of A2-DOF Vehicle M odel Using S tochastic Optimal C ontrol T echnique.J.S ound Vib.1985,100(3):343—3574 Harris on R F.Hamm ond J K.Ev olutionary(frequency/time)spectral analysis of response of vehicles m oving on rough ground by using “covariance equivalent”m odeling.J S ound Vib.1986a,107(1):29—385 Hamm ond J K,Harris on R F.N onstationary Response of Vehicle on R ough G round-A S tate Approch,T ransactions of The AS ME,1981,103:245—2506 罗明廉,魏绍乾.汽车非平稳随机振动的研究.汽车工程, 1990(1):59—657 H wang J H,K im J S.On the Approximate S olution Aircraft LandingG ear Under N onstationary Random Excitations.K S ME Interna2tional Journal.2000,14(9):968—9778 Nigam N C,Y adav D.Dynamic Response of Accelerating Vehicles toG round R oughness.Proc.N oise,Shock and Vibration C on fer2ence,M onash University,1974,280—2859 庄表中.非平稳随机振动.杭州:浙江大学出版社,198610 方 同,孙木楠,宋长清.同源演变随机激励下的非平稳响应。
应用力学学报,1997,14(2):7—1311 Nigam N C,Narayanan S.Applications of Random Vibrations.Ra2 jkamal E lectric Press.1994,219—29212 米奇克[德]著.陈荫三译.汽车动力学.(B)卷.北京:人民交通出版社,1994(上接第29页)击条件下测试材料的应力应变关系曲线,通常需要在试件的同一位置上同时测量随时间变化的应力和应变,而SPH B试验通过测量压杆上的应变来反推试件材料的应力应变关系,是一种间接但又十分简便的方法。