含能材料合成研究进展

本文慨述了含能材料对提高武器系统性能的重大作用以及含能材料合成研究的主要目标。含能材料合成的主要研究领域包括:(1)多硝基芳香族化合物;(2)多硝基脂肪族化合物;(3)多硝基含氟化合物;(4)多硝基氟杂环化合物;(5)多硝基多环笼形化合物;(6)叠氮有机化合物。本文还分别介绍了近年来含能材料合成研究在这些研究领域中的最新进展。     

PTFE/Al含能复合物的本构关系

室温下,利用万能材料试验机和分离式霍普金森压杆获得了PTFE/Al含能复合物在应变率10-3~103s-1范围内的压缩应力应变曲线。通过对不同应变率下力学性能的分析,初步建立了材料基于Johnson-Cook塑性模型的压缩本构方程,考虑了材料的应变硬化效应和应变率效应。利用该方程进行的PTFE/Al弹丸侵彻钢靶板的数值模拟结果与实际情况较符合,验证了该方程的可靠性和合理性,对PTFE/Al材料的实际应用也具有一定的指导作用。     

PTFE/Al含能复合物的本构关系

室温下,利用万能材料试验机和分离式霍普金森压杆获得了PTFE/Al含能复合物在应变率10-3~103s-1范围内的压缩应力应变曲线。通过对不同应变率下力学性能的分析,初步建立了材料基于Johnson-Cook塑性模型的压缩本构方程,考虑了材料的应变硬化效应和应变率效应。利用该方程进行的PTFE/Al弹丸侵彻钢靶板的数值模拟结果与实际情况较符合,验证了该方程的可靠性和合理性,对PTFE/Al材料的实际应用也具有一定的指导作用。     

Al基含能结构材料的Johnson-Cook本构模型及失效参数研究

利用万能实验机和Hopkinson杆装置测试了Al基含能结构材料在不同温度下的静动态力学性能,分析实验结果得到了温度效应和应变率效应对材料力学性能的影响及该合金的Johnson-Cook本构模型参数.结合二维数字图像相关(DIC)方法,研究了Al基含能结构材料的失效应变与应力三轴度及温度之间的关系,得到了该合金的Johnson-Cook失效模型参数.通过平面撞击实验获得了Al基含能结构材料粒子速度和应力波波速之间的经验线性关系和该合金的Grüneisen系数.基于实验获得的材料本构关系和状态方程参数,完成了Al基含能结构材料超高速撞击多层间隔薄钢板的数值模拟,结果表明,数值模拟中靶板的毁伤模式、破孔直径及弹坑主要散布区和实验结果吻合.     

泡沫塑料力学性能研究进展

本文对泡沫塑料力学性能的研究进行了简要综述,重点介绍近期文献和作者在该领域的一些研究工作,及对该领域的研究工作进行展望．     

含能单晶微纳米力学性能试验研究及数值表征

利用微纳米压痕实验测定β-HMX 单晶(010) 晶面和α-RDX 单晶(210) 晶面的力学性能参数和微观破坏特征,并利用数值拟合确定了含能单晶的部分本构参数. 通过微纳米压痕实验连续刚度法(CSM) 得到HMX 单晶和RDX 单晶的弹性模量和硬度,RDX 单晶的硬度和模量都大于HMX 单晶,其硬度值均表现出一定的尺寸效应. 利用原子力显微镜(AFM) 分析了HMX 单晶和RDX 单晶的微观破坏机理,裂纹随着载荷的增大生成并扩展,裂纹面产生方向为晶体的最易解理破坏方向. 利用ABAQUS 有限元软件进行了纳米压痕数值模拟,结合微纳米压痕实验加卸载曲线,选取了合适的含能单晶塑性损伤本构模型的损伤本构参数.     

含能材料在低温条件下冲击压缩力学性能的实验研究

采用自制的含能材料动态变温压缩实验装置,在低温环境下,对国产复合炸药Ｃｏｍｐ．Ｂ和单质炸药ＴＮＴ进行了动静态压缩实验,测试了压缩模量、压缩强度等材料性能参数。实验结果表明:在低温条件下,Ｃｏｍｐ,Ｂ和ＴＮＴ材料具有明显的应变率效应和温度效应,复合炸药Ｃｏｍｐ．Ｂ的压缩模量和压缩强度都高于ＴＮＴ炸药,Ｃｏｍｐ．Ｂ对温度效应更为敏感。还讨论了惯性效应对动态实验波形的影响,通过引入柔度系数,使测试波形趋于光滑。所介绍的实验方法为研究含能材料在低温条件下的冲击压缩性能,提供了一套较完整的技术和手段。     

基于石膏材料的小结构重力坝损伤本构模型研究

大坝模型试验的模型材料力学性能是试验成功与否的关键影响因素。基于石膏模型材料基本力学性质和混凝土材料基本相似的实际情况,考虑石膏模型材料的孔隙率,在能量损伤理论模型的基础上,结合工程规范,建立了石膏模型材料的受拉损伤本构模型。同时,分析了模型材料应变率对材料峰值应力的影响,引入动应力提高系数,并给出了与应变率相关的模型材料受拉损伤本构模型。利用该本构模型模拟了动荷载下石膏模型重力坝的破坏过程,并与模型试验结果进行对比。结果表明：数值模拟得到的重力坝开裂破坏的位置、形式与模型试验结果较为接近。     

高能材料动态力学性能的研究

采用自制的高能材料动静态变温三轴、单轴压缩试验装置、在熔点以下温度,以及在中等应变速率（２～４／ｓ）和准静态（３１０￣（－３）／ｓ）条件下测试了ＴＮＴ材料三轴、单轴压缩力学性能参数。试验结果表明,ＴＮＴ材料具有明显的应变率相关和热软化效应。在单轴压缩条件下,ＴＮＴ材料是脆性破坏,断裂强度小于屈服极限;在三轴压缩条件下,试件有较大的塑性变形。根据试验结果拟合了ＴＮＴ材料随着加载速率和环境温度变化的本构关系,分析表明该本构关系可以很好地描述材料的应变率、温度效应。     

含损伤材料的热粘塑性本构关系及其应用

对含损伤材料的热粘塑性本构关系进行了较全面和较系统的研究。首先对半径回归方法的本构公式给出了最一般性的严格证明,并讨论了其适用性和局限性。接着以应力空间中的屈服函数和Drucker公设为基础,以材料本构关系的内变量理论为工具,推导并建立了增量型热粘塑性本构关系的普适形式和计算流程。然后结合实践中最常用的几类本构模型,导出了所建立的增量型动态本构关系的具体形式,并简要总结了其各自的特点和意义。最后通过一些典型的波传播和高速冲击问题的算例,介绍了所建立的本构关系及计算方法的具体应用情况和效果,从而展示了其理论意义和应用前景。     

含圆孔复合材料层板在拉伸载荷下损伤破坏过程的模拟

本文应用有限元法模拟受拉含孔夏合材料层板损伤起始、累积直至破坏的过程。在模拟中引入了作者早些时建立的包含基体开裂层非对称约束影响的损伤本构关系,以及裂纹密度与损伤区应力关系函数等。本文给出损伤累积模拟方法并编制了程序,用该程序可以获得层板加载过程中各层的损伤状态、计算其刚度衰减和应力重分布以及最终破坏载荷。给出了数值模拟算例并与现有研究结果进行了比较。     

含损伤材料的热粘塑性本构关系和柱壳破裂研究

以含内变量的本构关系理论为基础 ,结合材料损伤演化方程 ,并考虑了温度和损伤对材料参数的影响 ,得到了增量形式的热粘塑性本构关系的普适显式表达式。然后使用Bodner幂函数型粘塑性模型 ,具体推导了其增量形式的热粘塑性本构方程。接着结合在实践中有重要意义的内部爆炸载荷作用下的柱壳破裂问题 ,建立了含损伤热粘塑性柱壳破裂问题的完备方程组 ,使用有限差分方法 ,完成了对问题的数值模拟 ,并对结果进行了分析。计算结果与实验结果符合良好。     

水牛角角鞘的各向异性研究

水牛角角鞘是一种具有优异力学性能的生物材料,本文主要研究其力学性能和变形损伤机理的各向异性。首先,通过同步辐射断层扫描技术和扫描电镜分别获得了角鞘在初始状态下的三维结构和3个不同方向(纵向、横向和径向)的微观形貌,发现角鞘由波浪状片层沿径向堆叠而成,大量沿纵向生长的长条形孔隙随机镶嵌其中。随后利用自制的微型材料试验机开展了角鞘沿3个方向的准静态压缩实验,并通过准原位扫描电镜表征技术观测试样的变形损伤过程。宏观应力-应变曲线表明,角鞘表现出明显的各向异性：纵向具有最高的屈服强度,而径向表现出最大的塑性硬化率。准原位扫描电镜图像揭示了不同方向的裂纹成核和扩展模式存在明显差异。纵向上,片层屈曲诱导初始孔隙沿横向扩张,并沿层间界面相互贯通形成宏观裂纹;横向上,波浪状片层在压缩载荷下会发生显著的弯曲变形,层间易发生滑移开裂;径向上,层间相互挤压将初始孔隙压实,此后试样内出现沿45°方向的“X”形剪切带。变形机制的差异本质上来源于角鞘特殊的微观结构——波浪状片层和单向排布的长条形孔隙,最终导致了宏观力学性能的各向异性。上述结果不仅解释了牛角优异力学性能的物理基础,而且对仿生材料设计具有参考意义。     

Sensitivity upon the constitutive relations in materials with memory

Consider a semigroup describing the evolution of deformations of an inelastic body. This work investigates the sensitivity of this semigroup with respect to variations of the inelastic constitutive relations, and contains a full well posedness (Lipschitz) result. Particularly relevant is the case of material constants determined experimentally.Received: 24 June 2004, Accepted: 13 November 2004, Published online: 4 March 2005PACS: 74D10 Correspondence to: R.M. Colombo     

Elasto-plastic constitutive relations of unidirectional fiber composites for cyclic loadings

The clasto-plastic constitutive behaviors of continuous fiber reinforced composites under cyclic loadings are studied by the micromechanics method in which the equal-strain model is used in the fiber direction, the equal-stress model in the other directions. It is supposed that fiber is linearly elastic and matrix is clastic-viscoplastic. The constitutive equations of the matrix are described by Bodner-Partom's unified constitutive theory. Boron/Aluminum composite, as an example, is investigated in detail for an understanding of the stress-strain relations and initial yield behaviors of metal matrix composites. Present results are compared with the experimental data.The project was supported by the Chinese National Natural Science Foundation.     

基于Ottosen本构关系的混凝土三维损伤模型

提出基于混凝土已有本构模型建立混凝土三维损伤模型的方法,该方法无需再进行新的参数标定,计算损伤不必通过对损伤演化方程的积分获得.基于Ottosen本构模型建立了相应的损伤模型,就损伤参量和Ottosen非线性指标的不同选取方式,对典型比例加载情形的全过程进行损伤分析,发现基于刚度下降和基于变形能力损失的两种不同损伤描述具有互补性,非线性指标采用比例增大法计算较为简单合理.     

密集颗粒物质的介观结构

密集颗粒物质由大量颗粒组成的多体相互作用体系,在一定条件下,颗粒互相连接,形成相对稳定的介观尺度结构,其几何和动力学性质较大程度上决定了颗粒体系的宏观物理和力学性质,因此开展颗粒的介观结构研究具有重要的理论价值,是科学的前沿之一.自然界的堆石坝、堰塞体和碎屑流,以及工程中的高温气冷堆堆芯颗粒流和先进核裂变能系统(ADS嬗变)的颗粒散裂靶等都是典型的颗粒体系,研究颗粒体系宏观力学性质是灾害预测和调控技术的关键.本文首先介绍颗粒接触力理论和简化模型的研究进展,接着介绍介观尺度结构分析方法与测量技术,颗粒体系Jamming转变、软点和颗粒微位移测量技术等,最后列举了几个关键的科学问题.颗粒介质中很多基本力学问题的解决需要借鉴物理和数学等学科的最新成果,建立新的概念和范式,从新的角度、思路、理念去认识颗粒介质的基本问题.同时,颗粒介质的基础研究还要紧密结合工程应用领域的大量相关的核心技术,与工程领域专家共同合作,使得颗粒介质的研究有的放矢,更具生命力.     

宏微观渐进展开损伤本构模型及其在碳纤维增强复合材料中的应用

基体开裂、纤维拔出、界面剥离等是碳纤维增强复合材料常出现的局部各向异性损伤现象,这些损伤逐渐扩展,削弱了材料的强度和刚度,影响材料的承载能力.对此利用宏微观摄动理论对位移进行双范围渐进展开,在微观位移中引入损伤应变,通过计算损伤应变集中因子,得到了含损伤的均质化损伤弹性常数(宏观有效刚度矩阵),用平均法和混合法检验了无...