HTPB复合底排药压缩屈服应力模型研究

目前广泛应用于底排增程技术的HTPB复合底排药(composite base bleed grain,CBBG)是一种颗粒填充含能材料,战场环境中将承受冲击、温度等载荷作用.为研究HTPB CBBG冲击压缩力学性能,进行了不同温度(233～323K)和应变率(1100～7900s-1)下的分离式霍普金森压杆实验.实验结果表明,各工况下,应力应变曲线均呈现屈服-应变硬化特征,HTPB CBBG保持高韧性.提高应变率和降低温度均导致相同应变下的应力幅值上升,但温度较应变率对HTPB CBBG冲击压缩力学性能的影响更为显著.基于所研究温度范围高于HTPB CBBG玻璃化转变温度,通过将水平、垂直移位因子与温度的关系表示为WLF方程的形式,将时温等效原理引入协同模型,并计及内应力的应变率增强效应,提出了一种新的屈服应力模型.选取参考温度,利用水平、垂直移位因子-温度曲线和屈服应力主曲线拟合模型参数.模型预测值与实验数据对比结果表明:该模型可准确表征233～323K时HTPB CBBG屈服应力的双线性应变率相关性,明确了较低和较高应变率时,应变率效应分别主要由内应力和驱动力贡献.     

纸质构件力学性能试验研究

对铅化纸制作的纸杆和纸带进行了力学试验, 分析了其力学性能, 结果表明:纸杆应力应变曲线存在线弹性段, 弹性模量主要集中在200$\sim$400\,MPa, 并具有一定的离散性. 而纸带抗拉曲线呈明显的非线性特征, 极限拉应变主要集中在0.015$\sim 对铅化纸制作的纸杆和纸带进行了力学试验, 分析了其力学性能, 结果表明:纸杆应力应变曲线存在线弹性段, 弹性模量主要集中在200$\sim$400\,MPa, 并具有一定的离散性. 而纸带抗拉曲线呈明显的非线性特征, 极限拉应变主要集中在0.015$\sim 对铅化纸制作的纸杆和纸带进行了力学试验, 分析了其力学性能, 结果表明:纸杆应力应变曲线存在线弹性段, 弹性模量主要集中在200$\sim$400\,MPa, 并具有一定的离散性. 而纸带抗拉曲线呈明显的非线性特征, 极限拉应变主要集中在0.015$\sim 对铅化纸制作的纸杆和纸带进行了力学试验, 分析了其力学性能, 结果表明:纸杆应力应变曲线存在线弹性段, 弹性模量主要集中在200$\sim$400\,MPa, 并具有一定的离散性. 而纸带抗拉曲线呈明显的非线性特征, 极限拉应变主要集中在0.015$\sim对铅化纸制作的纸杆和纸带进行了力学试验,分析了其力学性能,结果表明:纸杆应力应变曲线存在线弹性段,弹性模量主要集中在200～400 MPa,并具有一定的离散性.而纸带抗拉曲线呈明显的非线性特征,极限拉应变主要集中在0.015～0.025之间,纸带的粘结状态对试件的极限拉应变有较大的影响.     

中子辐照金属材料的脆化模型研究

金属材料的辐照脆化问题一直以来都是核能安全领域亟待解决的关键问题之一.为了更准确地预测金属材料的辐照脆化行为,基于Johnson-Cook本构模型,将未辐照金属材料的断裂真应力取作辐照材料的断裂真应力,建立了通过辐照退火态金属材料屈服强度就能够预测其整个真应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线,以及断裂真应变的辐照脆化模型.实验研究了不同中子剂量辐照退火态高纯铝的准静态拉伸真应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线、断裂真应力和断裂真应变随辐照剂量的变化规律.结果表明,辐照剂量越高,高纯铝的屈服强度越高,断裂真应变越低,但断裂真应力几乎不变.通过TEM显微分析获得了高纯铝内部辐照缺陷的尺寸和数密度随辐照剂量的变化规律,结果表明,辐照剂量越高,孔洞的尺寸和数密度越高,但位错环尺寸和数密度始终很小,难以准确统计.由辐照高纯铝实验数据拟合得到了辐照脆化模型所需参数,并检验了该模型的预测效果.结果表明,无论是通过实验还是显微分析得到辐照高纯铝的屈服强度,模型的预测结果均能够与实验结果较好地吻合,且模型对退火态高纯铝临界中子剂量的预测值也与文献结果一致.      

MDYB-3有机玻璃在不同应变率下的一维屈服行为

对MDYB-3有机玻璃进行了多组不同应变率(10-3~3 000 s-1)下的压缩实验, 得到准静态下的屈服应力与动态下的峰值应力。沿其增强与面内2个方向进行准静态压缩实验, 以分析定向拉伸对屈服应力的影响, 修正了Ree-Eyring模型与Cooperative模型以描述定向有机玻璃的屈服行为。采用Johnson-Cook模型描述屈服后的黏塑性行为。结果表明Cooperative屈服模型比Ree-Eyring屈服模型更接近实验结果, 且能准确描述准静态屈服应力。动态压缩下的峰值应力为失效应力, 说明试样在1 500 s-1以上应变率下未达到屈服应力时已经发生破坏。Johnson-Cook模型对于单条曲线拟合良好, 但无法准确描述材料的应变率相关性。     

低碳钢压缩应力-应变曲线的讨论

针对当前材料力学、工程力学教材中低碳钢受压极限强度无法测定的结论，通过对 低碳钢压缩$F$-$\Delta l$曲线进行二次处理，获得了低碳钢压至鼓状的真 实$\sigma _t $-$\varepsilon _t $曲线，有利于学生对名义$\sigma $-$ \varepsilon $, 真实$\sigma_t$ -$ \varepsilon _t $, 极限应力概念的正确理解.     

16MnR钢缺口试样解理断裂行为研究

研究了低合金热轧钢16MnR缺口试样在$-196\,{^\circ}$C和$-130\,{^\circ}$C的解理断裂机 理. 拉伸试验、单、双缺口四点弯曲实验、断口形貌观察以及有限元分析结果表明, 缺口试 样发生解理断裂时均起裂于夹杂物粒子, 一种位于缺口根部前端(IC型), 另一种位于距缺口 根部较远的条形裂纹前端(SIC型); 且随温度升高, 起裂源的类型从$-196\,{^\circ}$C下的IC 型转变为$-130\,{^\circ}$C下的SIC型. 微裂纹均形核于夹杂物, 最终的断裂由铁素体晶粒尺 寸的微裂纹扩展控制. 缺口试样IC型解理断裂遵循裂纹形核条 件$\varepsilon_{\rm p} \ge \varepsilon_{\rm pc}$和裂纹扩展条件$\sigma_{yy} \ge \sigma_{f}$, 而SIC型解理断裂条件则演化为$\varepsilon_{\rm p}+\varepsilon_{\rm ps} \ge \varepsilon_{\rm pc}$和$\sigma_{yy} +\sigma_{yy{\rm s}} \ge \sigma_{f}$.     

温度对高应变率下三元乙丙橡胶力学性能影响的实验研究

利用加装了自行研制的半导体高低温调控装置的特别加长的分离式Hopkinson杆,对三元乙丙橡胶在变温度(233K～323K)、变应变率(1.8×103/s～3×103/s)条件下进行力学性能实验.为贴近军事装备相关的自然环境要求,分别测定和拟合了三元乙丙橡胶在各个相同温度条件下不同应变率以及各个相同应变率条件下不同温度的应力-应变曲线.结果表明:三元乙丙橡胶的力学性能受温度和应变率影响明显,其刚度随着应变率的增加而增加,其柔性随着温度的增加而增强.温度和应变率对其力学性能的影响有一定的等效性.文中给出了三元乙丙橡胶材料高应变率条件下由橡胶态向玻璃态转变的温度值.     

完整岩石拉压应力状态下的张裂破坏准则

一点的应力状态可由3个主应力$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$来表示, 当规定主应力以压为正时, 沿最大主应力$\sigma_{1}$方向将产生收缩变形, 若中间主应力$\sigma_{2}$和最小主应力$\sigma_{3}$都远小于$\sigma_{1}$, 则沿$\sigma_{2}$和$\sigma_{3}$方向会产生横向扩张变形, 当横向扩张变形达到一定极限时, 将会在平行于$\sigma _{1}$的方向产生张裂破坏. 如何建立这种张裂破坏的强度准则目前尚缺乏研究, 最大拉应变理论(第二强度理论)有时被用来解释张裂破坏, 但最大拉应变理论难以应用于三向受力状态. 本文分别用$\varepsilon_{1}$, $\varepsilon_{2}$表示最大张应变和次大张应变, 则最大拉应变理论认为当$\varepsilon_{1}$达到单向拉伸屈服应变时, 材料将产生破坏. 而本文将根据$\varepsilon_{1}+\varepsilon_{2}$之和达到极限值$\varepsilon_u$来建立张裂破坏准则. 可以证明$\varepsilon_{1} +\varepsilon_{2}$所表示的是$\sigma_{1}$主平面的面积增长率. 当$\sigma_{3}<\sigma_{2} \ll \sigma_{1}$时, 大部分岩石都具有脆性破坏的特点, 所以可将破坏前的岩石视为满足广义胡克定律的线弹性材料, 这样用$\varepsilon_{1}$, $\varepsilon_{2}$表示的强度准则可通过$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$来表示. 在这个过程中还可考虑岩石在拉伸和压缩时具有不同弹性参数和强度的特点, 并可通过单向拉伸和单向压缩的破坏状态来确定$\varepsilon_u$. 不管$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$是压应力, 还是拉应力, 或者$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$中有拉有压的情形, 基于$\varepsilon_{1} +\varepsilon_{2} =\varepsilon_u$都可建立相应的强度准则. 所建立的准则可以反映中间应力$\sigma_{2}$对强度的影响规律, 通过建立的强度准则还可以证明: 静水拉力能引起屈服, 而静水压力不能产生屈服; 压缩破坏能使塑性体积增大, 其结果比Mohr-Coulomb准则更能反映实际情形. 并通过拉压应力状态下的试验数据验证了所建立的强度准则, 所得理论计算结果和已有的试验数据吻合得很好. 通过提出的强度准则和圆盘劈裂的试验结果, 可获得更为可靠的岩石单轴抗拉强度.      

复合材料水翼水动力与结构强度特性数值研究

针对复合材料水翼存在的流固耦合求解问题,结合其自身特有属性,对复合材料水翼结构变形特性进行了数值仿真计算研究.研究建立了复合材料水翼流固耦合数值计算模型,并将数值计算结果与Zarruk等的实验结果进行对比,验证模型的正确性,得出复合材料水翼尖端扭转角随雷诺数的增加而增加的研究结论.基于数值计算模型,系统地研究了不同铺层角对复合材料水翼水动力特性及强度特性的影响,结果表明:不同铺层角复合材料水翼的尖端扭转角,随铺层角的增大而减小,而其尖端位移量随铺层角的增大先减小后增大.为了削弱工程常数的影响对复合材料水翼变形的影响,研究提出了无量纲扭转角和无量纲位移量,进一步探究复合材料水翼结构的弯扭耦合作用对其变形特性的影响.最后利用蔡$\!$-$\!$-$\!$吴失效准则进行复合材料水翼强度特性的判断和分析,结果表明:不同铺层角复合材料水翼的蔡$\!$-$\!$-$\!$吴系数,随铺层角的增大呈现先减小后增大的趋势,其中0$^\circ$铺层时的复合材料水翼蔡$\!$-$\!$-$\!$吴系数最小,50$^\circ$铺层时的复合材料水翼的蔡$\!$-$\!$-$\!$吴系数最大.      

不同壁面取向下超疏水平面直轨道上的气泡滑移

利用特定几何分布的超疏水表面实现气泡定向输运在矿物浮选和生物孵化等领域具有广阔的应用前景, 对平面直线超疏水轨道而言, 其壁面取向是相关工程结构的关键参数, 但超疏水壁面取向对倾斜壁面气泡滑移的影响尚不明确. 本文采用高速阴影成像系统研究了不同壁面取向($-90^\circ\leqslant \beta \leqslant 90^\circ$)及轨道倾角($45^\circ\leqslant \alpha \leqslant 75^\circ$)下, 气泡($D_{eq}=2.4$ mm, $Re=500$ $\sim$ 700, $We=7$ $\sim$ 13)在轨道宽度为2 mm的超疏水直线轨道上的运动特性. 气泡在轨道上的滑移近似为匀速, 形状为具有多脊的半子弹型. 根据气液界面波动程度的不同, 滑移气泡可分为波动型和稳定型, 稳定型气泡只在较小倾角且较大方位角时出现($45^\circ\leqslant \alpha < 70^\circ$, $| \beta | \geqslant 45^\circ$). 根据倾角不同, 滑移速度关于$\beta $有2种变化规律: 当$\alpha \leqslant 65^\circ$, 气泡滑移速度近似为关于$\beta =0^\circ$ 的单峰分布($\beta =0^\circ$时, 气泡滑移速度最大); 当$\alpha \geqslant 70^\circ$, 气泡滑移速度在不同的方位角下基本保持稳定. 气泡的最大滑移速度可达0.66 m/s ($\beta =0^\circ$, $\alpha =70^\circ$), 远大于相同尺度的自由上升气泡($\approx0.25$ m/s), 这主要是壁面浸润性分布和惯性力的耦合效应所致. 轨道取向(方位角$\beta )$及轨道倾角($\alpha )$通过改变气泡沿轨道方向的驱动力和气泡迎风面积影响气泡的滑移速度和气液界面稳定性.      

冲击载荷下HTPB推进剂的热耗散

为了研究HTPB推进剂在冲击载荷下的能量耗散规律,结合分离式霍普金森压杆(SHPB)搭建了红外测温系统。该系统响应速度快,可同步获取冲击实验中HTPB推进剂表面的温度变化。结果表明,HTPB推进剂受载后表现出黏-超弹特性,并且在高速变形中试件经历了温度的显著升高。在黏-超弹性本构模型的基础上引入温度项,考虑了热软化效应,更加准确地描述了HTPB推进剂在高应变率变形下的热力学响应,可对复合固体推进剂在冲击载荷下的热力耦合分析提供参考。     

DYNAMIC MECHANICAL BEHAVIOR OF 6061 AL ALLOY AT ELEVATED TEMPERATURES AND DIFFERENT STRAIN RATES

The compressive stress-strain relationships of 6061Al alloy over wide temperatures and strain rates are investigated. The dynamic impact experiments are performed using an improved high temperature split Hopkinson pressure bar apparatus. The experimental results are compared with those obtained by the modified Johnson-Cook constitutive model. It is found that the dynamic mechanical behavior depends sensitively on temperature under relatively low strain rates or on strain rate at relatively high temperatures. The good agreement indicates that it is valid to adopt the parameter identification method and the constitutive model to describe and predict the mechanical response of materials.     

波形整形器在酚醛树脂的霍普金森压杆实验中的应用

利用霍普金森压杆在室温下进行了应变为 10 2 ～ 10 3 s-1的冲击压缩实验 ,同时采用波形整形器使入射波的上升沿变宽 ,更好地满足试件中应力应变均匀分布的条件 ,使实验更接近常应变率加载的条件。结果表明 ,酚醛树脂是一种应变率敏感材料 ,在室温下和高应变率下表现出冲击脆化的特征。     

极端环境下连续碳纤维增韧的陶瓷基复合材料的力学行为

连续纤维增韧的碳化硅复合材料(以下简称C/SiC),作为超高速飞行器热结构使用时,有可能在高温环境下受到高速撞击的作用,因此,掌握其在极端环境(高温、高应变率)下的力学性能是进行结构安全设计的基础。本文采用具有高温实验能力的分离式Hopkinson杆,在293~1273K温度范围内进行了动态压缩力学性能测试,研究了环境温度和加载速率对材料力学性能的影响。结果表明:C/SiC复合材料的高温压缩力学性能主要受应力氧化损伤和残余应力的共同影响。实验温度低于873K时,应力氧化损伤的影响很小,而由于增强纤维和基体界面残余应力的释放使界面结合强度增大,复合材料的压缩强度随温度的升高而增大;当实验温度高于873K时,应力氧化损伤加剧,其对压缩强度的削弱超过残余应力释放对强度的贡献,材料的压缩强度随温度的升高逐渐降低。由于应力氧化损伤受应变率的影响很大,当温度由873K升高至1273K时,高应变率下压缩强度降低的程度要比应变率为0.0001/s时低得多。     

A Dynamic Micromechanical Constitutive Model for Frozen Soil under Impact Loading

By taking the frozen soil as a particle-reinforced composite material which consists of clay soil(i.e., the matrix) and ice particles, a micromechanical constitutive model is established to describe the dynamic compressive deformation of frozen soil. The proposed model is constructed by referring to the debonding damage theory of composite materials, and addresses the effects of strain rate and temperature on the dynamic compressive deformation of frozen soil. The proposed model is verified through comparison of the predictions with the corresponding dynamic experimental data of frozen soil obtained from the split Hopkinson pressure bar(SHPB) tests at different high strain rates and temperatures. It is shown that the predictions agree well with the experimental results.     

Constitutive modelling of the high strain rate behaviour of interstitial-free steel

A physically based modelling and experimental investigation of the work hardening behaviour of IF steel covering a wide range of strain rates including complex strain path and/or strain rate changes are presented. In order to obtain isothermal stress–strain curves at high strain rates, a procedure has been proposed with the aid of finite element analysis. The result reveals that the apparent excess of the flow stress after a jump in strain rate, which is frequently observed in bcc metals, is in fact due to the thermal softening at large strains, and that the flow stress after a jump in strain rate tends asymptotically to the values corresponding to the curve at the new strain rate. The strain rate affects not only the short-range stress but also the long-range stress via the strain-rate dependant evolution of dislocation structures. The proposed model is based on the dislocation model of intragranular hardening proposed by Teodosiu and Hu [Teodosiu, C., Hu, Z., 1995. Evolution of the intragranular microstructure at moderate and large strains: modelling and computational significance. In: Shen, S., Dawson, P. R., (Eds.), Proceedings of Numiform'95 on Simulation of Materials Processing: Theory, Methods and Applications. Balkema, Rotterdam, pp. 173–182] and extended to strain rate sensitive one with applying the results of the thermal activation analysis. A satisfactory agreement has been achieved between model predictions and experimental results.     

聚酯纤维对透水沥青混凝土冲击压缩性能的影响

为研究聚酯纤维对透水沥青混凝土冲击压缩性能的影响,采用?74 mm钢质分离式霍普金森压杆装置对掺杂不同质量分数的聚酯纤维透水沥青混凝土进行冲击压缩实验。在静态和4个应变率下的实验结果表明,透水聚酯纤维沥青混凝土是应变率敏感性材料,具有较强应变率效应。透水聚酯纤维沥青混凝土具有较好的延展性,动态应力应变曲线分为3个阶段:弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段。当应变率相同时,随着掺杂聚酯纤维质量分数的增大,透水沥青混凝土的冲击抗压强度呈现出先升高后降低的变化规律,掺杂聚酯纤维的质量分数为0.40%时,冲击抗压强度达到最大。冲击抗压强度约为静态抗压强度的8~13倍。     

NEPE推进剂低高应变率下改进的黏-超弹本构模型

为研究低高应变率条件下NEPE推进剂的力学特性,通过电子万能试验机和分离式霍普金森杆装置,对NEPE推进剂进行了准静态和冲击实验,得到了不同应变率下（1.667×10?4～4 500 s?1）的应力-应变曲线。实验结果表明NEPE推进剂具有明显的非线性弹性和应变率敏感性,随着应变率的增加,材料的强度、屈服应力和弹性模量显著增加,与低应变率相比,高应变率条件下材料的应变率敏感性更高。在高速冲击下材料内部瞬间产生大量热量无法及时散发出去,使得材料内部温度升高,导致材料出现软化效应,力学性能降低。本文建立了一个非线性黏超弹本构模型,其中采用Rivlin应变能函数来描述稳态超弹响应部分,采用积分型本构模型来描述材料的动态黏弹性响应部分,考虑到松弛时间具有应变率相关性,本文采用了一个率相关松弛函数来替代传统的Prony级数形式。使用极慢速压缩实验数据对本构模型中的超弹部分进行拟合获得超弹参数,然后用准静态和动态实验数据对本构模型进行拟合得出其他参数。不同应变率下的预测曲线与实验曲线具有较好的重合度,证明了该模型可以很好地描述低高应变率下NEPE推进剂的力学特性。     

软质聚氨酯泡沫的动态压缩力学性能和本构模型

采用Instron 9350落锤试验机研究了中低应变率下软质聚氨酯泡沫的动态压缩力学性能,分析了其应力-应变响应特征和应变率敏感性,讨论了应变率对材料应变率敏感性指数和能量吸收特性的影响,并基于实验结果建立了可准确描述其压缩力学响应的率相关本构模型。结果表明,软质聚氨酯泡沫的静动态压缩应力-应变响应具有典型的三阶段特征,且呈现出明显的应变率强化效应。准静态加载下,材料具有较高的吸能效率但能量吸收值较小,应变率对最大吸能效率和比吸能的影响较小;动态加载下,随着应变率的增加,最大吸能效率显著减小而比吸能明显增大。考虑应变率影响的修正Sherwood-Frost模型和修正Avalle模型都能够很好地表征软质聚氨酯泡沫的静动态压缩应力-应变响应,但修正Avalle模型的参数较少,更便于工程应用。研究结果可为软质聚氨酯泡沫抗冲击结构的设计和优化提供指导。     

碳纤维增韧的陶瓷基复合材料在高温高应变率下的压缩力学行为

利用高温电子万能试验机和具有高温同步自组装功能的Hopkinson压杆对二维C/SiC复合材料 进行了应变率为10-4~103s-1,温度为293~1273K下的单轴压缩力学性能测试。实验结果表明:二维C/ SiC复合材料破坏时并未表现出典型的脆性破坏,而是在应力达到压缩强度时出现了显著的应变软化,在经 历了较大的变形后才最终破坏,同时材料还表现出良好的高温承载能力及一定的温度和应变率依赖性。随着 温度的升高,复合材料的压缩强度呈降低的趋势。与准静态下室温压缩时相比,材料在1273K 时的压缩强 度的降低程度不超过30%,但压缩强度对应变率的敏感性随着温度的升高而增大。由于高温下试样氧化,C/ SiC复合材料压缩强度对应变率的敏感性在温度为1073K时显著增大。