基于温度与应变率相互耦合的泡沫铝本构关系

根据分离式Hopkinson压杆实验以及准静态实验得到的泡沫铝材料在不同温度以及不同应变率下的应力-应变曲线,分析了泡沫铝本构方程中温度效应与应变率效应之间的耦合关系,即温度越高,泡沫铝的应变率效应越显著。基于Sherwood和Frost提出的泡沫材料本构关系框架,对常温下的应变率敏感系数进行了温度项修正,修正后的本构方程在高温高应变率下与实验结果具有较好的一致性。最终得到泡沫铝在一定密度范围内包含温度项、应变率项较为完备的本构方程。     

橡胶材料的动态压缩性能及其应变率相关的本构模型

 利用Instron万能试验机与LC4超硬铝合金分离式Hopkinson压杆设备,对3种不同波阻抗的橡胶材料——炭黑母胶（Carbon Black Rubber）、硅橡胶（Silicone Rubber）和泡沫橡胶（Foam Rubber）在较大应变率范围（0.002~15 000s^-1）内进行了单轴压缩实验,研究应变率对橡胶材料力学性能的影响。实验结果表明：3种橡胶的准静态与动态应力-应变曲线具有不同的应变硬化形式,且动态加载下随着应变率的增大,硬化效应逐渐增强;在准静态及高应变率（12 000~15 000 s^-1）压缩下,泡沫橡胶表现出多孔类材料压缩曲线的弹性、塑性崩塌及致密化3段特征。基于Rivilin应变能模型,构建了一个应变率相关的动态本构模型,模拟结果与实验结果吻合较好,可以用于描述较大应变率范围内3种橡胶的非线性应力-应变关系。     

低密度聚氨酯泡沫压缩行为实验研究

 在室温下，对一种低密度硬质聚氨酯泡沫进行了准静态压缩及应变率在1×10³～5×10³ s^-1范围内的冲击压缩实验。结果表明，所测试的聚氨酯泡沫材料在准静态实验与动态实验之间存在明显的应变率效应，但在纯动态实验中应变率效应不明显。最后，给出了以屈服应力、密度、应变等为参量的动态压缩本构关系，且能较好地与材料的动态压缩曲线吻合。     

5083铝合金宽应变率实验与基于损伤的本构模型研究

5083铝合金材料在工程领域应用广泛,会受到包括冲击和碰撞等多种不同情况的强动加载,亟需对其宽应变率加载下的力学性能及其本构模型开展研究。首先,对5083铝合金进行了系统的准静态实验及中、高应变率加载下的拉伸和压缩实验,得到了宽应变率加载下的应力-应变曲线。实验结果表明,该材料在同一实验条件下所得到的应力-应变曲线,其强化阶段的拉伸曲线总是低于压缩曲线,并从微观机制上对这一现象进行了合理解释。然后,通过引入损伤,考虑了损伤对该材料拉伸加载情况下的力学性能影响。基于连续介质力学及其实验结果,获得了损伤演化方程。最后,借助改进的Johnson-Cook(JC)本构模型,并基于已确定的损伤演化方程,得到了考虑损伤的5083铝合金本构模型。通过实验曲线与所得模型曲线的对比,吻合良好,表明该模拟具有很好的适用性,能够对该材料的工程应用提供有效的科学依据、分析模型和必要的参考。     

一种高聚物粘结炸药和B炸药的本构关系研究

 利用万能材料试验机对一种高聚物粘结炸药（简称PBX炸药）和压装B炸药进行了准静态压缩实验,得到了两种炸药在不同应变率下的应力应变曲线。通过两种炸药在不同应变率下力学性能的研究,建立了两种炸药含应变率效应的本构方程。结果表明,建立的本构方程能较好地描述两种炸药在弹性阶段和强化阶段的力学性能。     

闭孔泡沫铝准静态压剪性能研究

通过添加斜端面垫块和长方体套筒,利用材料试验机对闭孔泡沫铝进行准静态下的压剪复合加载实验。改变斜端面垫块的角度,得到泡沫铝在不同压剪加载路径下的力学性能。对试样进行受力分析,得到泡沫铝在压剪空间的屈服面。同时采用有限元软件LS-DYNA对闭孔泡沫铝的压剪加载过程进行数值模拟,仿真屈服面与实验屈服面吻合较好。仿真研究表明,密度相同的泡沫铝,在一定孔径范围内,胞孔尺寸越大,屈服应力越大,泡沫铝的承载能力越好。     

高温高应变率下ZL101A铝合金的流变应力特征与本构模型

采用分离式霍普金森压杆系统和高温设备对ZL101A铝合金进行了常温和高温下的动态压缩实验,得到了应变率范围为2 900～6 100 s^-1、温度范围为20～600℃的动态压缩应力-应变曲线。实验结果表明：ZL101A铝合金具有应变率硬化效应,并且随着温度的升高,应变率硬化效应减弱;ZL101A铝合金在不同应变率下均存在明显的温度软化效应,且随着温度的升高,塑性变形引起的绝热温升使热软化作用增强。为了得到应变率和温度对材料流变应力的影响,将应变率效应和温度效应进行解耦,得到一种适用于ZL101A铝合金材料的动态本构模型。对比模型预测结果与实验数据发现,建立的本构模型可以很好地描述ZL101A铝合金的流变应力特征。     

聚苯乙烯泡沫材料的动态压缩特性

通过万能材料试验机和落锤式冲击试验装置,对发泡聚苯乙烯泡沫材料进行准静态和动态压缩试验,探讨密度和加载速率对材料动态压缩特性的影响。基于落锤试验数据,考虑密度相关性,通过修正得到恒定应变率下材料动态本构关系的经验公式。基于LS-DYNA中的MAT57和MAT163以及ABAQUS中的Low Density Foam和Crushable Foam 4种材料模型,建立了适用于有限元仿真的发泡聚苯乙烯泡沫本构模型。通过模拟落锤冲击过程,对比试验结果发现:MAT163和Crushable Foam模型能较好地预测材料动态响应和能量吸收性能,验证了动态本构模型的可靠性,并且这两种特定的材料模型在模拟发泡聚苯乙烯泡沫冲击碰撞时具有良好的适用性。     

简论金属材料JC本构模型的精确性

通过比较JC模型预测结果与6种金属(2024-T351铝合金、 6061-T6铝合金、OFHC无氧铜、4340高强钢、Ti-6Al-4V钛合金和Q235软钢)在不同应变率及温度下的实验数据,对JC本构模型的精确性进行了关键评估。为了进一步评估其精确性,采用JC本构模型和失效准则对平头弹正撞2024-T351铝合金靶板进行数值模拟,并与实验结果比较。结果表明:JC本构模型只适用于中、低应变率和温度下的Mises材料,对非Mises材料该模型预测的剪切应力-应变曲线和失效与实验结果吻合较差;同时,JC本构模型的精度随应变率和温度的提高而降低,特别是在高应变率条件下利用实验得到的动态增强因子进行相应数值模拟时,所得计算结果与弹道穿透实验结果不一致,说明其表达式(即准静态应力-应变关系×动态增强因子)是不恰当的。     

准等熵压缩实验中金属铝的热力学耗散分析

为获取高压下材料的纯热力学压力-比容参考线和完全物态方程,减去应力-应变曲线中的其它信息,对准等熵压缩实验中由加载应变率引起的黏性耗散和热传导引起的热耗散做了分析讨论。基于反积分计算和流体动力学积分计算相结合的方法,根据激光加载(约108 s-1)和磁驱动准等熵压缩(约105 s-1)的实验数据,对材料声速、应力-应变曲线、温度和熵增等物理量进行计算,分析了不同应变率与该物理量的关系;还对热传导和SCG本构模型进行了计算,分析了热传导引起的温度变化对材料屈服强度、剪切模量和拉格朗日声速的影响。结果表明:激光加载实验中,应变率引起的温升差异约为180K,熵增差异约为250J/(kg·K),热传导导致温度下降40K;磁驱动准等熵压缩应变率较低,引起的熵增变化小于8J/(kg·K)。     

比较93钨合金材料的3种本构模型

在温度范围296~1 273 K、应变率范围0.000 5~6 000s-1内,对93钨合金材料(93%W-4.9%Ni-2.1%Fe)的力学行为进行了系统研究。实验结果表明:钨合金的塑性流动应力对温度和应变率非常敏感,它随温度的降低和应变率的增加而提高;真实塑性应变达到0.6时未出现剪切破坏。针对实验得到的应力-应变关系,分别进行了两种唯象本构模型(JC本构模型和KHL本构模型)和一种基于物理概念的本构模型(PB本构模型)的流动应力拟合。通过误差分析和应变率阶跃实验,对这3种本构模型的预测效果的精度进行了分析和评价。     

准等熵压缩下金属钽的屈服强度分析

 为分析固体材料的准等熵压缩实验数据,引入了率相关本构方程和流体弹塑性模型,建立了考虑材料强度效应的反积分数据处理方法。利用CQ-1.5磁压驱动装置中多晶钽的准等熵压缩实验数据,对钽的屈服强度和流应力进行了反积分数值模拟和分析,计算了钽的拉格朗日声速和应变率分布情况。得到了钽在准等熵压缩过程中样品内部及加载面上压力和速度的分布及演变规律,获得了30 GPa压力下钽的准等熵屈服强度约为1.85 GPa,准等熵弹性屈服极限约为2.9 GPa。此外,计算得到了与Sandia实验室数据高度吻合的应力-应变曲线和准等熵p-V参考线。     

Ta-10W合金压缩力学性能实验研究

利用MTS材料试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置对非退火状态Ta-10W合金进行了准静态和动态压缩实验,给出了材料的静态压缩屈服强度和应变率在700~3 100 s-1范围内的动态压缩应力-应变曲线,并获得了不同应变率下材料的动态屈服强度。通过对实验结果的分析可以发现,非退火状态Ta-10W合金具有较好的韧性,在所进行的实验中试件表面均未出现可见裂纹;试件材料具有较高的静、动态屈服强度,静态屈服强度达到930 MPa,动态屈服强度在1 GPa以上,在所进行的700~3 100 s-1应变率范围内,材料的动态屈服强度随应变率的增加略有提高。     

高温高应变率下G550冷弯钢的动态力学行为

为研究G550冷弯钢在高温和高应变率下的动态力学性能,采用高温同步控制霍普金森拉杆装置,开展了不同温度下的高应变率拉伸试验,并在高速液压拉伸试验机上进行了室温下的中应变率拉伸试验。通过获得的应力-应变曲线,得到了材料的本构模型,结合微观形貌分析,探究了温度和应变率对流变应力的影响。结果表明：G550冷弯钢具有明显的应变率强化和温度软化效应。在特定的高应变率范围内(1 000～1 500 s^-1),温度对流变应力的影响大于应变率。基于温度软化系数随温度变化的特征,提出了G550冷弯钢的修正Johnson-Cook本构模型。该模型可以较好地描述G550冷弯钢在高温和高应变率下的动态力学行为,从而为G550冷弯钢在高温、爆炸冲击相关的有限元仿真提供参考。     

基于特征线反演的斜波加载实验数据处理与分析

基于特征线反演法,开展了斜波加载实验的数据处理,对特征线反演法进行了数值验证和不确定度分析;并对磁驱动CQ-4装置上开展的准等熵压缩金属铝台阶靶实验的速度剖面进行了数据反演,通过原位粒子速度和材料声速,积分得到了包含弹-塑性转变过程的应力-应变曲线;此外,对不同反演方法得到的材料弹性屈服极限等进行了比较和分析,进一步论证了不依赖于本构模型的特征线反演分析在斜波加载实验数据处理中的重要性。     

基于特征线反演的斜波加载实验数据处理与分析北大核心CSCD

基于特征线反演法,开展了斜波加载实验的数据处理,对特征线反演法进行了数值验证和不确定度分析;并对磁驱动CQ-4装置上开展的准等熵压缩金属铝台阶靶实验的速度剖面进行了数据反演,通过原位粒子速度和材料声速,积分得到了包含弹-塑性转变过程的应力-应变曲线;此外,对不同反演方法得到的材料弹性屈服极限等进行了比较和分析,进一步论证了不依赖于本构模型的特征线反演分析在斜波加载实验数据处理中的重要性。     

某PBX炸药的动态力学性能研究

 PBX炸药作为现代武器的主装药,它的力学行为决定着武器的生存能力。为了研究PBX炸药的动态力学特性,采用分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB）作为加载手段,结合半导体应变片测试技术和压电晶体监测技术,保证了实验数据的有效性。利用SHPB加载波整形技术,实现了材料两端应力平衡和常应变率加载,得到了不同应变率（90~410 s^-1）下材料的应力-应变曲线。根据材料的模量、破坏强度和破坏应变随应变率的变化规律,采用粘性修正的Sargin模型,得到了该PBX炸药在单轴压缩下的唯象本构模型,模拟结果与实验曲线符合较好。     

球形孔开孔泡沫铝的力学特性及准静态压缩变形机制

对胞孔形态和尺寸较为一致的球形孔泡沫铝开展静-动态压缩实验,利用数字图像相关法研究了泡沫铝在准静态压缩过程中的宏观和介观变形机理。结果表明:球形孔泡沫具有明显的应变率效应,随着应变率的增加,平台应力及屈服强度增加,吸能效率也有所提高。由于胞元壁厚不均匀和孔壁缺陷的随机分布,泡沫铝在压缩过程中会出现多条局部变形带,单个胞孔表面在孔壁缺陷处也会出现应变集中带。胞元孔的变形模式主要有3种,轴向压缩、剪切、扭转加剪切复合变形,且整体变形带处的孔壁破坏模式以剪切变形为主,孔壁的变形模式又与孔壁自身厚度以及加载方向有关。     

复合应力下泡沫铝屈服行为实验研究

 采用ARCAN双轴加载装置和材料实验机（INSTRON 5544）,对相对密度为8.5%的闭孔泡沫铝（Alporas）进行了不同应变率下的双轴加载实验。在宏观等效应变率为7.0×10^-3~1.0×10^-1 s^-1范围内测得实验屈服面,并与泡沫金属的3种屈服准则进行了比较。比较结果表明：在主应力空间下,实验屈服面与Miller和Deshpande-Fleck屈服准则吻合较好,Gibson屈服准则过小估计了测试泡沫铝的实验屈服面;被测泡沫铝的实验屈服面在宏观等效应变率7.0×10^-3~1.0×10^-1 s^-1范围内对应变率不敏感。     

基于冰颗粒增强的冻土细观动态本构模型

为了直观地描述冻土在冲击加载下的动态力学性能和应力-应变关系,从细观出发,将冻土视为冰颗粒增强的复合材料,建立了基于冰颗粒增强的冻土细观动态本构模型。根据土相在冲击作用下层层破坏的特点,假定冲击层的动模量因冲击损伤而发生变化,在模型中引入了应变率项。利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对冻土进行冲击加载实验,通过改变温度和应变率,获得了冻土在不同实验条件下的动态冲击应力-应变曲线。实验结果表明,冻土具有明显的温度效应和应变率效应。模型计算结果与实验结果符合良好,验证了所建立的动态本构模型的合理性和适用性,具有很强的工程应用价值。