殷志強(qiáng) (安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

工程爆破作為一種廣泛使用的巖土開挖技術(shù)，在交通、采礦、水利水電等基礎(chǔ)設(shè)施得到廣泛的應(yīng)用。“爆破工程”作為采礦工程和交通工程學(xué)生獲取爆破知識的主要課程，其課程的理論性和實踐性均較強(qiáng)。相對于從巖石的靜力學(xué)方面考慮巖體穩(wěn)定而言的“巖石力學(xué)”課程而言，“爆破工程”重點講解巖體在爆炸動荷載作用下的動力學(xué)強(qiáng)度和變形特性。目前針對爆破過程巖石動力學(xué)特性的實驗教學(xué)，主要是通過分離式霍普金森壓桿(SHPB)開展相應(yīng)的沖擊動力學(xué)實驗。

1 傳統(tǒng)巖石動力學(xué)實驗教學(xué)手段的局限性

采礦工程和交通工程專業(yè)本科階段的教學(xué)中沒開設(shè)應(yīng)力波基礎(chǔ)和數(shù)學(xué)物理方程等基礎(chǔ)課。學(xué)生缺少應(yīng)力波理論和應(yīng)變率的概念，導(dǎo)致在爆破沖擊動力學(xué)理論的學(xué)習(xí)過程中，普遍認(rèn)為巖石動力學(xué)比靜力學(xué)更難理解，產(chǎn)生一定的畏難心理，降低了學(xué)習(xí)積極性。

目前的實驗內(nèi)容主要是對巖石類材料進(jìn)行沖擊加載實驗，了解其動力學(xué)性質(zhì)。巖石動力學(xué)實驗應(yīng)變率在10 s-1左右，動態(tài)加載時長通常在1 ms之內(nèi)，無法用肉眼感受試樣在沖擊加載過程的變形和破裂特點，且無法對應(yīng)力波在壓桿中傳播特性進(jìn)行觀測。使得學(xué)生缺乏對巖石動力學(xué)實驗過程中應(yīng)力波傳播、巖石裂紋發(fā)展及碎塊飛裂過程的直觀認(rèn)識。

2 基于數(shù)值模擬技術(shù)的巖石動力學(xué)實驗教學(xué)模式

利用SHPB設(shè)備開展巖石動力學(xué)實驗，巧妙地將波動效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)解耦了。通過借助計算機(jī)仿真平臺進(jìn)行輔助教學(xué)的方式，開展不同長度的巖石試樣沖擊加載數(shù)值實驗，能夠讓學(xué)生直觀地了解不同長度試樣在動態(tài)加載過程中應(yīng)力波傳播特點。體會到當(dāng)試樣較短時，試樣兩端很快就能達(dá)到應(yīng)變均勻的狀態(tài)，加深對SHPB實驗過程忽略應(yīng)力波效應(yīng)的理解。進(jìn)一步理解SHPB 實驗解決動態(tài)實驗中測試技術(shù)中“狗咬尾巴”的精髓。

SHPB 實驗還需要滿足一維應(yīng)力波的基本假設(shè)。在數(shù)值實驗教學(xué)過程中通過改變壓桿、子彈的相對位置關(guān)系，得到不同偏移安放條件下的應(yīng)力波傳播規(guī)律，并對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析，通過數(shù)值模擬驗證實驗儀器的安放偏移對SHPB巖石動力學(xué)實驗的影響。

通過以上兩項實驗，加深對SHPB實驗兩個基本假設(shè)的認(rèn)識。這種將實驗過程與計算機(jī)模擬相結(jié)合的方法，不僅改進(jìn)了實驗教學(xué)的方法和內(nèi)容，還在一定程度上加深了學(xué)生對巖石動力學(xué)理論知識的理解與運用。

3 應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)輔助巖石動力學(xué)實驗教學(xué)模式的優(yōu)勢

3.1 提高學(xué)生參與實驗的獲得感

在傳統(tǒng)的巖石動力學(xué)實驗偏重于演示實驗過程，基本上是實驗老師先進(jìn)行實驗演示，之后學(xué)生按照老師的演示和實驗指導(dǎo)書對已經(jīng)加工好的巖石試樣進(jìn)行重復(fù)實驗，并利用現(xiàn)成的計算軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，到實驗的最終結(jié)論，對于實驗過程中應(yīng)力波的傳播狀態(tài)無法掌握。而應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)輔助巖石動力學(xué)實驗的教學(xué)模式，則可以直接針對具體的巖石動力學(xué)實驗實例，對實驗巖性以及應(yīng)力波特點設(shè)立參數(shù)，建立模型進(jìn)行數(shù)值模擬，最終得到應(yīng)力波傳播狀態(tài)和試樣破裂過程的模擬圖像。在整個模擬過程中，學(xué)生可產(chǎn)生強(qiáng)烈的獲得感。

3.2 培養(yǎng)學(xué)生獨立思考的能力

在巖石動力學(xué)實驗過程中，一般只有一臺SHPB實驗設(shè)備，學(xué)生人數(shù)較多，采用分組的辦法進(jìn)行實驗；而且?guī)r石動力力學(xué)實驗過程，往往出現(xiàn)巖石碎塊的飛濺，具有一定的危險性。因此在實驗教學(xué)過程中將盡可能的降低實驗次數(shù)，這將難免會缺少每一位同學(xué)獨立思考以及各種嘗試的機(jī)會。而應(yīng)用數(shù)值模擬計算時，每位同學(xué)需要熟悉掌握實驗原理、合理的設(shè)計顆粒大小和顆粒間的力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行相關(guān)計算，并根據(jù)運行結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的調(diào)整和修改。此外還可以通過改變試樣長度、子彈形態(tài)、沖擊位置、沖擊速度，開展不同條件下的數(shù)值模擬，加強(qiáng)學(xué)生獨立思考能力的提升。

3.3 激發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)新能力

SHPB 實驗是目前研究巖石類材料動力學(xué)性能的重要實驗方法。數(shù)值模擬技術(shù)是現(xiàn)代計算力學(xué)原理和計算機(jī)可視化技術(shù)的高度集成記技術(shù)，其強(qiáng)度的計算功能，且可以根據(jù)自己的思想來設(shè)計實驗方案的特點，這對大多數(shù)年輕學(xué)生具有很大的吸引力。因此在利用數(shù)值模擬技術(shù)開展基礎(chǔ)性的巖石動力學(xué)實驗教學(xué)基礎(chǔ)上，鼓勵學(xué)生追蹤巖石動力學(xué)實驗研究的熱點問題，開展創(chuàng)新性模擬實驗研究，激發(fā)學(xué)生對巖石動力學(xué)的興趣，提高學(xué)生自主創(chuàng)新能力。

4 教學(xué)實踐成效

在巖石動力學(xué)實驗教學(xué)中，引入數(shù)值模擬技術(shù)，通過后處理技術(shù)清晰地將實驗的全過程展現(xiàn)出來，并能得到實驗過程無法直接測量的其他物理量的數(shù)值。對提高學(xué)生對應(yīng)力波傳播和巖石動態(tài)變形破壞過程的認(rèn)識以及培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力有很大的幫助。在實驗的教學(xué)中要將基礎(chǔ)理論與研究熱點聯(lián)系起來，引導(dǎo)學(xué)生思考，讓學(xué)生體會到科研的樂趣，為將來的學(xué)習(xí)和工作打下基礎(chǔ)。