数值实验在岩石动态力学实验教学中的应用

殷志强 (安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

工程爆破作为一种广泛使用的岩土开挖技术，在交通、采矿、水利水电等基础设施得到广泛的应用。“爆破工程”作为采矿工程和交通工程学生获取爆破知识的主要课程，其课程的理论性和实践性均较强。相对于从岩石的静力学方面考虑岩体稳定而言的“岩石力学”课程而言，“爆破工程”重点讲解岩体在爆炸动荷载作用下的动力学强度和变形特性。目前针对爆破过程岩石动力学特性的实验教学，主要是通过分离式霍普金森压杆(SHPB)开展相应的冲击动力学实验。

1 传统岩石动力学实验教学手段的局限性

采矿工程和交通工程专业本科阶段的教学中没开设应力波基础和数学物理方程等基础课。学生缺少应力波理论和应变率的概念，导致在爆破冲击动力学理论的学习过程中，普遍认为岩石动力学比静力学更难理解，产生一定的畏难心理，降低了学习积极性。

目前的实验内容主要是对岩石类材料进行冲击加载实验，了解其动力学性质。岩石动力学实验应变率在10 s-1左右，动态加载时长通常在1 ms之内，无法用肉眼感受试样在冲击加载过程的变形和破裂特点，且无法对应力波在压杆中传播特性进行观测。使得学生缺乏对岩石动力学实验过程中应力波传播、岩石裂纹发展及碎块飞裂过程的直观认识。

2 基于数值模拟技术的岩石动力学实验教学模式

利用SHPB设备开展岩石动力学实验，巧妙地将波动效应和应变率效应解耦了。通过借助计算机仿真平台进行辅助教学的方式，开展不同长度的岩石试样冲击加载数值实验，能够让学生直观地了解不同长度试样在动态加载过程中应力波传播特点。体会到当试样较短时，试样两端很快就能达到应变均匀的状态，加深对SHPB实验过程忽略应力波效应的理解。进一步理解SHPB 实验解决动态实验中测试技术中“狗咬尾巴”的精髓。

SHPB 实验还需要满足一维应力波的基本假设。在数值实验教学过程中通过改变压杆、子弹的相对位置关系，得到不同偏移安放条件下的应力波传播规律，并对数值模拟结果进行总结分析，通过数值模拟验证实验仪器的安放偏移对SHPB岩石动力学实验的影响。

通过以上两项实验，加深对SHPB实验两个基本假设的认识。这种将实验过程与计算机模拟相结合的方法，不仅改进了实验教学的方法和内容，还在一定程度上加深了学生对岩石动力学理论知识的理解与运用。

3 应用数值模拟技术辅助岩石动力学实验教学模式的优势

3.1 提高学生参与实验的获得感

在传统的岩石动力学实验偏重于演示实验过程，基本上是实验老师先进行实验演示，之后学生按照老师的演示和实验指导书对已经加工好的岩石试样进行重复实验，并利用现成的计算软件对实验数据进行处理，到实验的最终结论，对于实验过程中应力波的传播状态无法掌握。而应用数值模拟技术辅助岩石动力学实验的教学模式，则可以直接针对具体的岩石动力学实验实例，对实验岩性以及应力波特点设立参数，建立模型进行数值模拟，最终得到应力波传播状态和试样破裂过程的模拟图像。在整个模拟过程中，学生可产生强烈的获得感。

3.2 培养学生独立思考的能力

在岩石动力学实验过程中，一般只有一台SHPB实验设备，学生人数较多，采用分组的办法进行实验；而且岩石动力力学实验过程，往往出现岩石碎块的飞溅，具有一定的危险性。因此在实验教学过程中将尽可能的降低实验次数，这将难免会缺少每一位同学独立思考以及各种尝试的机会。而应用数值模拟计算时，每位同学需要熟悉掌握实验原理、合理的设计颗粒大小和颗粒间的力学参数，进行相关计算，并根据运行结构进行必要的调整和修改。此外还可以通过改变试样长度、子弹形态、冲击位置、冲击速度，开展不同条件下的数值模拟，加强学生独立思考能力的提升。

3.3 激发学生自主创新能力

SHPB 实验是目前研究岩石类材料动力学性能的重要实验方法。数值模拟技术是现代计算力学原理和计算机可视化技术的高度集成记技术，其强度的计算功能，且可以根据自己的思想来设计实验方案的特点，这对大多数年轻学生具有很大的吸引力。因此在利用数值模拟技术开展基础性的岩石动力学实验教学基础上，鼓励学生追踪岩石动力学实验研究的热点问题，开展创新性模拟实验研究，激发学生对岩石动力学的兴趣，提高学生自主创新能力。

4 教学实践成效

在岩石动力学实验教学中，引入数值模拟技术，通过后处理技术清晰地将实验的全过程展现出来，并能得到实验过程无法直接测量的其他物理量的数值。对提高学生对应力波传播和岩石动态变形破坏过程的认识以及培养学生的创新能力有很大的帮助。在实验的教学中要将基础理论与研究热点联系起来，引导学生思考，让学生体会到科研的乐趣，为将来的学习和工作打下基础。