在进行爆炸、冲击等方面的显式动力数值分析时，选取合适的材料本构模型是至关重要的。对于连续损伤本构模型，如Holmquist-Johnson-Cook（下简称HJC）模型和Riedel-Hiermaier-Thoma（下简称RHT），它们均能较好地描述岩石材料在高应变率和大变形下的力学特性。然而，每种本构均有其优劣及适用性，并且描述岩石材料裂纹扩展的方式有所不同。如果在开展数值分析时未能选取合适的本构模型和模拟方法，必然会对数值结果的精度产生影响。

  基于上述问题，王志亮教授课题组分别将HJC模型和RHT模型应用于岩石单次和循环爆破模拟中，通过与爆破试验结果的对比，分析了每种本构模型的优劣及适用条件。相关研究发表在国际期刊《Computers and Geotechnics》（JCR Q1，IF=3.818）上。

为了使两种本构模型具有可比性，本研究基于同一组花岗岩试样的试验数据，确定了两种本构的模型参数。在单次爆破模拟中，RHT模型能较好地描述炮孔附近粉碎区的形成和远端径向拉伸裂纹的扩展，并且其模拟结果与理论和试验结果吻合较好。而HJC模型的损伤云图仅能表征粉碎区的形成而无法描述径向裂纹的演化（图1）。为此，本工作对HJC模型进行了改进，引入了“最大拉应力+最大剪应变”的复合失效准则，使其能较好地模拟出单次爆破的裂纹扩展过程（图2）。

图1 单次爆破模拟损伤云图

图2 改进的HJC模型裂纹扩展过程

图3 循环爆破试验与数值模拟结果对比

  基于课题组开展的室外循环爆破试验，本研究进一步讨论两种本构模型在循环爆破模拟中的表现。在5g左右药量下，花岗岩试样在2次重复爆破后呈“十”字形开裂。RHT模型能再现岩样在循环爆破荷载下的动态裂纹扩展过程，而HJC模型的模拟结果与试验偏差较大，裂纹呈“一”字形扩展，并且试样未完全破坏（图3）。这是由于HJC模型引入了失效准则，其单元在失效后被删除，导致了岩石模型能量损失，进而使爆炸应力波发生衰减。另外，本研究对比了其他药量下的岩样破坏形态，进一步验证了上述结论。因此，在开展循环爆破数值模拟时，作者建议优先采用RHT本构模型。

来源：合肥工业大学土木与水利工程学院道路桥梁工程系 

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2021.104172