反分析法在光泡沫金属材料动态性能实验中的应用

在实验测试泡沫金属材料的动态性能时,由于其所具有的特殊性能使得传统的SHPB技术的采用遇到较大的困难.为了实验确定泡沫金属材料的初始动力坍塌强度和"平台"应力,研究其应变率效应,在现有SHPB实验装置的基础上,利用反分析法中的反卷积技术,通过计算机模拟给出了该实验装置的传递函数,完善了SHPB实验的数据处理系统,为实验研究泡沫材料的动态特性提供了一种有效的方法.     

软材料和松散材料SHPB冲击压缩实验方法研究

针对采用SHPB装置研究泡沫等软材料和黄土、砂等松散介质的动态特性时存在的实验技术问题,提出利用钢套筒约束试件横向变形的方法,在SHPB冲击加载装置上实现材料准一维应变实验,研究了上述材料在准一维应变条件下的动态力学特性。本文同时指出,可以通过引入一约束系数描述试件一维应变条件的满足程度,并指出钢套筒的横向变形对实现试件一维应变的影响不大。在此基础上,进行了相关实验研究,说明了该实验技术能较好地满足软材料或松散介质力学性能研究工作的需要。     

采用改进的SHPB方法对泡沫铝动态力学性能的研究

本文改进了传统的分离式霍布金森压杆(SHPB)技术，采用夹在透射杆中的PVDF压电计直接测量透射杆中的应力时程．同时，采用输入波形整形技术，通过调整加载波形，使试样加载过程中保证均匀变形及应力平衡．利用此改进了的SHPB技术对泡沫铝进行了高应变率下的动态压缩实验．实验结果表明：泡沫铝的动态应力应变曲线具有泡沫材料的应力应变曲线的“三阶段”特征(elastic region，collapse region and densification region)，并且应变率对其力学性能影响明显．     

用于软材料的双子弹电磁驱动SHPB系统

软材料的动态力学性能研究一直备受关注，目前分离式Hopkinson压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)技术是其最重要的测试手段，然而在测试超软材料时实验装置设计方面仍存在许多有待改进之处。本文中研制了一套双子弹电磁驱动SHPB系统，使用聚碳酸酯作为杆件材料以克服软材料试件带来的诸多困难，引入了双子弹设计方案解决了电磁驱动方式难以应用于非铁磁材料的问题，并有效保证了子弹速度的准确控制。使用双子弹电磁驱动SHPB系统和传统金属SHPB装置同时对硅胶材料的动态力学性能进行了测试，实验结果的吻合性验证了本套系统的可靠性。应用双子弹电磁驱动SHPB系统开展了聚乙烯醇(polyvinyl alcohols, PVA)水凝胶这种超软材料在高应变率下的实验，成功表征出其动态力学性能。     

基于霍普金森压杆系统的动态压痕实验

设计了基于分离式Hopkinson压杆系统(SHPB)的动态压痕实验装置,使其能够获得动态压痕实验中试样的压痕位移和所受冲击载荷的实验数据,从而得到一种新的材料动态性能测试技术.对3种不同的材料进行了动态压痕实验,得到了材料的动态硬度和率敏感性等动态性能,与采用其他实验技术所测得的性能数据具有很好的一致性,并实现了利用...     

聚氨酯泡沫铝动力学性能实验及本构模型研究

为了改进泡沫铝的动态吸能性能,将聚氨酯填充到开孔泡沫铝中制备成复合材料。通过霍普金森杆(SHPB)冲击实验,研究包含相对密度、应变、应变率和聚氨酯含量等影响因素的聚氨酯泡沫铝材料的动力学性能,并建立了动态本构模型。实验结果表明,聚氨酯泡沫铝的动态弹性模量与相对密度无关,屈服强度和流变应力与应变率和泡沫铝的相对密度成正比;聚氨酯泡沫铝的屈服强度与泡沫聚氨酯质量增加近似呈线性关系。所建立的动态本构模型在相对密度和应变率在一定的变化范围内与实验数据吻合较好。     

应用高速摄影机对泡沫铝在SHPB实验过程的变形跟踪与分析

SHPB技术虽然能方便地得出材料的动态应力应变关系,但却不能直观地揭示材料在经受冲击荷载时的变形特征,而这恰恰是泡沫金属力学性能研究的重要方面.为此,本文设计了一套SHPB-高速摄影机系统,借此系统对SHPB实验中的泡沫铝试件进行了实时的变形跟踪拍摄,然后应用图像处理软件对泡沫铝试件的动态变形进行分析并提取了位移信息,...     

泡沫铝在SHPB高温动态下的变形过程研究

利用分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置研究轻质泡沫铝在动态压缩下的温度相关性,重点设计了一种基于SHPB的可视化高温炉,在此基础上通过高速摄影观测泡沫铝试件在高低温且动态压缩下的变形过程。动态加载下的实验结果表明：常温下,胞壁在变形过程中易于观察到屈曲失稳、撕裂、弯曲等现象,且在压缩的过程中碎片飞溅;高温下材料软化较明显,呈现出更多的塑性弯曲现象,但是屈曲失稳与撕裂的现象并不显著,变形过程中并无碎片产生。     

冲击条件下泡沫铝的细观变形特征分析

利用SHPB-高速摄影机系统,拍摄到了泡沫铝细观结构在SHPB冲击过程中的变形,分析了试件 的应变分布及破坏模式。研究表明,泡沫铝试件在SHPB冲击过程中应变分布是不均匀的,试件两端的应变 和应变率远大于中间部分的应变和应变率,即在SHPB实验过程中泡沫铝试件不能严格满足均匀性变形假 定。因此,需要考虑对用SHPB方法测量泡沫金属动态力学性能方法进行必要的修正。     

泡沫铝合金动态力学性能实验研究

利用分离式霍布金森压杆(SHPB)实验技术和MTS材料实验机对两组不同孔径、不同密度的开孔泡沫铝合金进行了准静态和动态压缩实验研究。实验结果表明:泡沫铝合金的静态和动态变形过程均具有泡沫材料变形的三个阶段特征。开孔泡沫铝合金的变形是均匀变化过程，并不出现局部的变形带。与相对密度对力学性能的影响相比，孔径大小的影响可以忽略不计。在考察的应变率范围内，屈服应力对应变率并不很敏感。     

大直径SHPB实验中的高温加载技术及其应用

为研究材料的高温动态力学行为,提出一套由自主设计的温控系统和100 mm SHPB装置组成的高温SHPB实验系统,采用ANSYS软件对界面热传导及其对实验结果的影响进行了计算分析,论证了该实验技术的可靠性,并对混凝土的高温动态力学性能进行了研究。结果表明:在大直径合金钢材质SHPB装置上对混凝土等热惰性材料进行高温冲击实验,冷接触时间临界值为1.00 s,本文中提出的高温加载技术可将冷接触时间控制在0.50 s以内,实验技术可靠;同一加载速率下,随着温度从常温升到1 000 ℃,高温混凝土的动态应力应变曲线呈现出塑性变化趋势,动态抗压强度先提高后降低,动态峰值应变则不断增大。     

用于高强度材料的SHPB实验添加垫块法

提出了用于高强度材料的改进的SHPB实验方法添加垫块法,运用数值模拟方法,利用有限元程序LS-DYNA3D分析了添加垫块实验方法的合理性和可行性。根据一维应力波理论,给出了数据处理的修正方法。作为应用实例,采用改进的实验方法对高强度的Al2O3陶瓷材料的动态力学性能进行了研究,得到了比常规方法较高的应变率及应力应变范围的动态应力应变曲线,表明Al2O3陶瓷为应变率相关的非线性弹脆性材料。结果表明,添加垫块实验方法可有效地防止实验中压杆端面的变形,提高试件的应力应变及应变率水平。添加垫块实验方法为在SHPB装置上实现高强度材料的动态实验提供了一种方便实用的途径。     

Modal Analysis of a Servo-Hydraulic High Speed Machine and its Application to Dynamic Tensile Testing at an Intermediate Strain Rate

This paper describes the experimental procedure to identify the predominant frequencies of the high speed testing machine by conducting modal analysis. The effects due to the predominant frequencies of the system and loading rate on the magnitude of system ringing and the flow stress were analyzed by using a single degree-of-freedom (SDOF) spring-mass-damper model. The system was then used to study the dynamic tensile behavior of two engineering materials, i.e., polyethylene (PE) fabric-cement composite and Alkaline Resistant (AR) glass fabrics at an intermediate strain rate. The stress oscillations in the response of these materials due to system ringing were addressed. The failure behavior of each material was studied by examining high speed digital camera images of specimens during the test. The validity of the dynamic tensile tests was investigated by examining the condition of dynamic stress equilibrium—a criterion used in split Hopkinson pressure bar (SHPB) tests. The results show that the quantitative criterion for a valid SHPB test is also applicable to dynamic tensile tests of these materials at the intermediate strain rate.     

混凝土类材料动态压缩强度在多维应力状态下的应变率效应

对混凝土类材料动态压缩应变率效应研究的发展及问题进行了概述,对比不同应力状态下混凝土类材料动态压缩应变率效应的表现特征,揭示了不同加载路径下实测动态强度提高系数的显著差异。研究表明,在高应变率下,基于初始一维应力加载路径的试件将因横向惯性效应导致的侧向围压而演化至多维应力状态,传统霍普金森杆技术无法获得高应变率下基于真实一维应力路径的动态强度提高系数,在强度模型中直接应用实测数据将过高估计材料的动态强度。鉴于应变率效应的加载路径依赖性,将仅包含应变率的强度提高系数模型扩展至同时计及应变率和应力状态的多维应力状态模型,并结合Drucker-Prager准则在强度模型中给予了实现。针对具有自由和约束边界试件开展的数值霍普金森杆实验表明,多维应力状态下的应变率效应模型可以考虑应变率效应随应力状态改变的特点,从而准确预测该类材料的动态压缩强度。研究结果可为正确应用霍普金森杆技术确定脆性材料的动态压缩强度提供参考。     

Comparison of Low Impedance Split-Hopkinson Pressure Bar Techniques in the Characterization of Polyurea

The split-Hopkinson pressure bar (SHPB) technique has been widely employed for over fifty years in characterizing the high strain-rate properties of many common engineering materials. Historically, however, this technique has had limited success in characterizing soft materials, since their low mechanical impedances can increase delays in attaining dynamic equilibrium and result in transmission pulses with extremely low signal-to-noise ratios. Due to interest in improving characterization of soft materials at high strain rates, numerous modifications to the traditional SHPB technique have been proposed. These include: using more sensitive piezoelectric gauges, employing hollow transmission bars, utilizing lower impedance polymeric pressure bars, and the use of pulse shaping techniques. To date, there has been no comparative studies or consensus within the SHPB community as to which approach is most advantageous. The goal of this investigation is to compare a number of these techniques, specifically the use of PMMA pressure bars and a hollow aluminum transmission bar (both with and without pulse shaping), alongside more traditional solid aluminum pressure bars in the characterization of polyurea, a common low impedance polymer. The advantages and disadvantages of each technique in generating high strain-rate stress-strain curves are discussed.     

两点应变测量法在SHPB测量技术上的运用

介绍了两点应变测量法在分离式Hopkinson压杆 (SHPB)测量技术上的运用。该方法通过测量一根压杆两个不同地方的应变 ,利用一个简单的反复过程将压杆中相对传播并叠加在一起的右行波与左行波分离 ,从而利用输入杆对试件的多次加载来研究软材料的动态力学性能。利用该方法计算所得的最大应变比利用传统SHPB测量技术得到的最大应变增大了 2～ 3倍。     

新型混凝土桥面铺装材料的冲击力学性能

利用大尺寸Hopkinson压杆对新型混凝土桥面铺装材料钢纤维增强聚合物改性混凝土（steel fiber reinforced and polymer modified concrete,SFRPMC）进行了冲击实验,并且在相同基准配合比下,与普通混凝土、钢纤维混凝土的冲击性能进行了对比。观察了不同打击速度下三种材料的破坏形态,得到了在不同应变率下的应力应变关系,比较了三种材料的应变率敏感性,最后从机理上分析了掺加钢纤维和聚合物对混凝土材料冲击力学性能的影响。结果表明,钢纤维增强聚合物改性混凝土材料具有良好的冲击韧性,是一种理想的混凝土桥面铺装材料。     

SHPB装置应用于测量高温动态力学性能的研究

ＳＨＰＢ（分离式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆）装置由于具有结构简单、操作方便等优点，为人们普遍采用；但作测量材料的动态高温力学性能方面还存在诸多不便之处。本文研究了附有恒温加热炉的ＳＨＰＢ装置，利用一维应力波传播理论和传热学原理，修正了温度梯度场对波形测量的影响，从而使ＳＨＰＢ装置用于高温动态力学测量更为准确可靠；并实际测量了３０ＣｒＭｎＳｉＡ钢从室温到高温（６００℃）的动态（１．５～４．０×１０３ｓ－１）应力应变曲线。