不同应变率和碳纳米管掺量下混凝土的力学性质与能量演化特征

为研究应变率(加载速率)和多壁碳纳米管掺量对碳纳米管混凝土试样力学性质、能量演化规律及损伤破坏特征的影响,采用RMT-150B岩石力学试验系统,对不同应变率下不同碳纳米管掺量的混凝土试样开展了系列单轴压缩试验。试验结果表明：碳纳米管混凝土试样的延性随着多壁碳纳米管掺量的增加而增大;当应变率恒定时,多壁碳纳米管掺量为0.1%的改性碳纳米管混凝土的单轴抗压强度最大;当多壁碳纳米管掺量恒定时,应变率为5×10^-3 s^-1(0.5 mm/s)时碳纳米管混凝土试样的单轴抗压强度最大;当应变率较大时,在试样峰值应力处,碳纳米管混凝土的能量耗散值占总能量的28.29%;当应变率较小时,试样峰前阶段的能量耗散现象显著,峰值应力处耗散能占比平均高达37.34%;当应变率和多壁碳纳米管掺量均较小时,碳纳米管混凝土在破坏前所吸收的能量大量转化为耗散能,峰后试样能量释放率较小,表现为局部张拉与剪切混合破坏特征;当应变率和多壁碳纳米管掺量均较大时,碳纳米管混凝土在破坏前所吸收的能量主要储存为可释放弹性应变能,在破坏时混凝土试样的能量释放速率较高,碳纳米管混凝土试样破坏...     

硅橡胶的动态压缩实验和力学性能研究

 对一种改性硅橡胶材料进行了高应变率动态压缩的实验测试。实验结果表明,这种硅橡胶材料具有很强的应变率敏感性;在室温和高应变率下,表现出典型的聚合物粘弹性特性。实验中应用了入射波整形技术保证试样中的应力平衡及常应变率加载。利用石英晶体监测了试样两端的应力平衡,并应用石英测试技术测量了微弱的透射信号。     

沿时间逐步求解应力的拉格朗日分析方法研究

拉格朗日分析方法是通过测量各个拉格朗日位置处的物理量历程来分析材料内部该位置处的其他物理量的变化,进而认识材料的动态力学性能.但现有的拉格朗日分析方法在已知粒子速度情况下,求解方法仍有不足.针对这一情况,提出了沿时间逐步求解方法,该方法能够在不做任何假定的情况下求解出应力,从而从根本上解决了只测量粒子速度这一物理量时求解应力的困难.并利用该方法对一组混凝土在冲击作用下的实验数据进行了处理,计算得到了相应的应变波形、应力波形以及加、卸载全过程的应力-应变曲线,进而揭示出混凝上材料与应变率相关的弹-塑性本构关系的特征.     

入射波整形技术的实验和理论研究

 在硅橡胶材料的分离式霍普金森压杆实验中,实验研究了如何实现常应变率加载,并且得到了整形器尺寸与加载应变率之间,以及加载应变率与试样厚度之间的定量关系。根据预估入射波形的理论模型,给出了采用H62黄铜整形器整形后入射波形的计算结果和实验结果,二者基本上是一致的。     

变截面杆共轴撞击数值分析及其应用前景

 为对弹性杆共轴撞击这一应力波基础问题进行扩展研究,基于非线性动力学软件LS-DYNA建立了有限元模型,分析了共轴撞击的变截面杆的形态参数对波形的影响规律,探讨了应力波产生的机理,并对其应用前景进行了展望。结果表明,由于变截面效应,一定形态参数的变截面杆共轴撞击可以得到具备波阵面平滑上升,较长的前沿升时和消除了波形振荡等特性的应力波;该特性是变截面杆撞击这一过程的内在属性,主要由变截面段的最小半径控制,变截面段长度仅对局部形态产生影响,对加载速度的变化不敏感;半无限长的变截面杆共轴撞击规律可在应力波加工等领域应用。由此可见,该规律对基础性理论进行了扩展,应用前景广阔。     

钢纤维高强混凝土材料的气体炮试验研究

采用一级气炮设备对C100钢纤维混凝土进行了高应变率冲击压缩实验,对一维应变状态下的混凝土冲击特性进行了分析.试验中采用锰铜压力计测量得到了混凝土中不同拉格朗日位置处的压力波形,利用拉格朗日分析得到了应力应变曲线,冲击波峰值随传播距离而衰减,在钢纤维混凝土中衰减较慢.分析探讨了钢纤维对混凝土的增强作用.     

超空泡射弹水下侵彻靶板三相耦合数值模拟

超空泡射弹侵彻问题的实质是特殊水下结构受到高速冲击载荷作用下的动态响应。对12.7 mm口径超空泡射弹侵彻典型水下目标壳体的毁伤效果开展研究,基于LS-DYNA有限元分析软件建立水环境中超空泡射弹垂直侵彻曲面靶板的等效模型,探讨射弹侵彻过程中动能侵彻和气泡溃灭对靶板联合毁伤效果,获得了靶板在各阶段的应力变化和结构变形规律。结果表明:侵彻靶板前,射弹着靶速度为200 m/s时的头部表面水介质压力峰值达768 N,靶板表面有明显下凹变形;侵彻靶板时,伴随着射弹动能侵彻和气泡溃灭冲击,水介质造成的影响不足动能侵彻的2%;侵彻靶板后,在靶板正面形成峰值速度为42 m/s的水射流进一步作用于破口;靶板整体弯曲变形,在200~300 m/s范围内,随着射弹着靶速度的增加,靶板弯曲形变量减小;靶板局部发生延性穿孔,射弹在水环境中具有更好的破口效果,射弹速度变化对破口尺寸影响不大。     

冲击动力学研究中实测波信息的解读分析

分析了多点测量技术在解读和分析实测冲击波信息时的重要性和难点,提出了将Lagrange多点测量反分析与Hopkinson压杆技术相结合的新方法,解决了在同一个Lagrange位置上难以同时测量应力和质点速度波形的难题,对试样上不同Lagrange位置处实测质点速度波形进行了解读分析,由n个实测质点速度波形信息得到了各Lagrange位置处的动态应力-应变关系。以有机玻璃和水泥砂浆两种粘弹性试样为例,进行了数值计算,验证了该方法的可行性和有效性。     

10 MA多支路汇流装置上钽的强度实验研究

磁驱动准等熵加载技术通过电流产生的磁压力加载材料,加载路径由负载电流波形和负载结构决定。作为应变率介于静高压加载和冲击加载之间的新型实验技术,熵增小、温升低。10 MA装置是典型的多支路汇流装置,包括24个电流支路,可在较大范围内控制负载电流波形,实现mm厚、cm直径样品在不同应变率下的准等熵加载。基于10 MA装置,通过调节负载电流波形实现样品加载路径控制,在一定压力-应变率范围,开展金属钽的强度实验研究,获取了不同厚度金属钽样品的加-卸载波剖面速度历史,分析获得了钽在系列峰值压力下的强度数据,比较了多个加载平台不同加载路径下的强度数据,实验结果与美国圣地亚国家实验室的磁驱动准等熵结果接近（平均应变率都约为105 s?1）,明显高于冲击加载的流动强度,低于准静态加载获取的流动强度,与应变率增高强度会有所下降的理论预测一致。基于多支路汇流装置,未来将可开展更为丰富的材料动力学特性实验研究。     

飞秒激光冲击AZ31B镁合金过程的数值模拟

采用有限元分析法对飞秒激光冲击AZ31B镁合金进行数值模拟,研究了激光冲击处理对镁合金变形过程的影响,分析了单脉冲激光冲击下材料内部的位移、动能、应力和应变的分布情况,得到了材料的瞬态速度和应变率变化过程.仿真结果表明,单脉冲飞秒激光冲击镁合金产生的塑性变形,可在材料表面形成微米级凹坑,中心点处最大位移为34μm,最大变形速度390m/s;在冲击初期,材料表面的应力和应变主要分布在冲击区域中心节点和边缘附近,并且得到镁合金的最大应力和最大应变率分别为955 MPa和1.8×106 s-1.研究结果能够为深入分析飞秒激光与镁合金作用时材料变形参量的变化规律提供数值理论依据.     

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。     

率温联合条件下混凝土材料压缩强度的变化规律

混凝土材料的动态压缩强度不仅具有明显的应变率强化(硬化)效应,同时还具有明显的温度弱化(软化)效应。在应变率和温度联合条件下,压缩强度随应变率和温度变化过程中不仅存在清晰的应变率拐折点,拐折点前后压缩强度随应变率变化速率明显不同,而且在不同温度下发生拐折时,其拐折点对应的应变率也存在明显差异。参考近年来相关文献中混凝土材料在率温联合条件下的压缩实验数据,结合理论分析,探讨了在不同温度、不同应变率条件下混凝土材料压缩强度联合效应因子K的变化规律;并对实验数据进行拟合,得到了不同应变率、不同温度下K(T)-■的预测表达式,确定了应变率强化和温度弱化对压缩强度的耦合影响;通过分析应变率拐折点与温度的关系,确定了应变率和温度联合条件下应变率敏感区和不敏感区的率温联合条件界限;建立了率温效应相当(K=1)时的率温等效方程,并确定了混凝土材料的率温等效参数。     

高温高应变率下混凝土材料的损伤演化方程

采用?74 mm大口径分离式霍普金森压杆(SHPB)对不同温度(20、200、400℃)下的C45混凝土材料进行动态力学性能实验,得到了不同温度、不同应变率下混凝土材料的应力-应变曲线。实验结果表明:在20~400℃温度范围内,混凝土材料具有温度硬化和应变率硬化现象。基于上述实验数据给出了损伤变量关于塑性应变的关系式,并通过相关实验数据确定了不同温度、不同应变率下损伤演化方程的材料参数。将该损伤演化方程应用于混凝土材料的本构关系中,预测结果与实验数据具有较好的一致性,证明了所提出的高温、高应变率下混凝土材料损伤演化方程的合理性。     

三段加热系统对大尺寸MPOF预制棒一步拉伸工艺

采用自行设计的微结构聚合物光纤专用拉丝系统对大尺寸微结构聚合物光纤预制棒的一步拉伸工艺进行了研究.该微结构聚合物光纤加热系统采用三段式梯度加热,可保持炉内温度的控制准确度在±2℃以内.在保持送料速度与牵引速度恒定、协调的条件下,通过对温度场温度梯度控制优化,确定了最佳拉丝温度组合,并得到了直径规格310 μm、标准偏差为±20 μm的较高质量的微结构聚合物光纤.     

二维骨料随机分布混凝土的动态力学性能数值模拟北大核心CSCD

将混凝土看成粗骨料和水泥砂浆组成的二相非均质复合材料。根据富勒级配曲线和瓦拉文平面转化公式,编写了二维圆形骨料随机分布程序,对混凝土在冲击荷载作用下的动力响应进行了数值模拟。分析冲击速度、试件尺寸、粗骨料大小及分布和粗骨料体积分数对混凝土动态力学性能的影响,讨论了混凝土的冲击破坏模式。数值模拟表明:混凝土的峰值应力随着冲击速度的增大而增大,具有明显的率效应;随着模型尺寸的增大而减小,表现出明显的尺寸效应;随着粗骨料体积分数增大,冲击荷载作用下混凝土的峰值应力呈现先增大后减小的趋势,粗骨料体积分数为40%时混凝土峰值应力最大;保持粗骨料最大粒径不变,随着粗骨料最小粒径的增大,混凝土的峰值应力逐渐减小;保持粗骨料最小粒径不变,随着粗骨料最大粒径的增大,混凝土的峰值应力呈现先增大后减小的趋势。数值模拟结果为混凝土的工程应用提供了理论依据和技术支撑。     

高应变率下硅橡胶的本构行为研究

 硅橡胶是一种高分子聚合物，可以承受大变形，用途广泛。利用改进的分离式霍普金森压杆（SHPB）实验技术，对硅橡胶试样进行了不同应变率下的冲击压缩实验，基于实验数据，利用应变能函数构建了考虑应变率效应的材料本构形式。同时，实验过程中发现，在高应变率加载条件下，材料在压缩变形后出现了损伤线区，线区直径与加载应变率及试样尺寸之间存在一定的定量关系。     

二维骨料随机分布混凝土的动态力学性能数值模拟

将混凝土看成粗骨料和水泥砂浆组成的二相非均质复合材料。根据富勒级配曲线和瓦拉文平面转化公式,编写了二维圆形骨料随机分布程序,对混凝土在冲击荷载作用下的动力响应进行了数值模拟。分析冲击速度、试件尺寸、粗骨料大小及分布和粗骨料体积分数对混凝土动态力学性能的影响,讨论了混凝土的冲击破坏模式。数值模拟表明:混凝土的峰值应力随着冲击速度的增大而增大,具有明显的率效应;随着模型尺寸的增大而减小,表现出明显的尺寸效应;随着粗骨料体积分数增大,冲击荷载作用下混凝土的峰值应力呈现先增大后减小的趋势,粗骨料体积分数为40%时混凝土峰值应力最大;保持粗骨料最大粒径不变,随着粗骨料最小粒径的增大,混凝土的峰值应力逐渐减小;保持粗骨料最小粒径不变,随着粗骨料最大粒径的增大,混凝土的峰值应力呈现先增大后减小的趋势。数值模拟结果为混凝土的工程应用提供了理论依据和技术支撑。     

开关抖动对直线变压器驱动源波形叠加的影响

以正态分布作为开关延时的数学模型,讨论了多路开关同步工作时,开关抖动、单路输出波形前沿对直线变压器驱动源多路波形叠加的影响。模拟研究结果表明:开关抖动对输出波形前沿的影响与单路输出波形的质量有关,单路波形前沿越小,开关抖动对感应叠加后输出波形前沿影响越明显。考虑4路同步工作的开关抖动为5 ns,单路波形前沿由10 ns增大到80 ns,感应叠加后输出波形前沿平均增量由6.7 ns减小为1.7 ns,因此当单路输出波形前沿较大时追求开关抖动小的意义不大。     

高压、高应变率与低压、高应变率实验的本构关联性

 指出Johnson-Cook（J-C）、Zerilli-Armstrong（Z-A）、Bodner-Parton（B-P）本构方程在一定条件下的适用性,表明对于低压、高应变率实验,单一曲线假定似乎可以采用。通过等效应力、等效应变,可以将不同应力状态下的流动应力函数采用统一的方程描述。然而,这些本构方程的确立,并不包括平面冲击波实验。对适合于平面冲击波实验的Steinberg-Cochran-Guinan（SCG）本构方程,讨论了其方程中所包含的高压与高应变率耦合效应。指出,以剪切模量度量的流动应力具有应变率相关性。基于温度效应的新发现以及直接测量平面冲击波流动应力的新进展,分别用J-C本构及SCG本构方程估算了钨材料在高压、高应变率加载下的流动应力。结果表明,采用J-C本构估算的流动应力仅在压力为10 GPa以下才能与实验数据相近,当压力高于10 GPa时,流动应力只能采用SCG本构估算。也指出了高压、高应变率本构方程与低压、高应变率本构方程所对应的不同物理背景。     

不同加载条件下位错和溶质原子交互作用的数值模拟

动态应变时效,即位错和溶质原子的动态交互作用,对合金材料的力学性质产生重要影响. 本文基于蒙特卡罗方法,建立了“多位错-溶质原子” 二维动力学模型,分别模拟了单位错-恒定应力率、多位错-无应力、多位错-恒定应力和多位错-恒定应力率四种条件下位错和溶质原子的演化过程. 单位错-恒定应力率情况下,低应力率时位错被溶质原子钉扎而无法脱钉,高应力率时位错未被钉扎而一直运动,只有在适当应力率范围内,位错才呈现出反复的钉扎和脱钉;多位错-无应力时,溶质原子向正/负位错的下/上方偏聚;多位错-恒定应力时,位错运动受溶质原子钉扎的影响随应力增大而减小;多位错-恒定应力率时,集群化的钉扎和脱钉过程导致了位错总位移呈现阶梯状的演化. 模拟结果表明：“位错-溶质原子”尺度上呈现了动态应变时效微观过程,与其理论描述相一致. 关键词： 动态应变时效 动力学模型 位错运动