RESEARCH ON DYNAMIC MECHANICAL RESPONSE AND CONSTITUTIVE MODEL OF PORCINE LIVER

在交通事故中,腹部器官常因冲击载荷作用而受到伤害,严重时甚至危及生命.肝损伤是腹部损伤中最为常见的一种,致死率很高,了解肝脏的动态力学性能对于事故中肝脏的损伤评估及防护设计有着重要的意义.从新鲜的猪肝组织中取肝实质部分制作试样,利用英斯特朗材料试验机对其进行两种加载率（0.004 s^-1,0.04 s^-1）和两种加载方向（垂直肝脏表面和平行于肝脏表面）的准静态压缩试验,并压缩至破坏.利用改进的分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）实验装置沿平行于肝脏表面方向进行三种高应变率（1 300 s^-1,2 400 s^-1,4 500 s^-1）的动态压缩试验.结果表明：所有应变率下的猪肝压缩应力应变曲线都呈非线性凹向上特征,初始阶段应力值很低,应变约30%后应力幅值显著增大;准静态压缩时,两种应变率（0.004 s^-1,0.04 s^-1）和两种加载方向下肝脏组织破坏应力和破坏应变等力学性能无显著不同,平均破坏应变为48%,平均破坏应力为0.45 MPa.高应变率下肝脏组织的流动应力明显高于准静态下的流动应力,表现出一定的率敏感性.采用Yeoh型超弹性本构模型描述猪肝组织准静态力学性能,基于黏超弹性模型理论,提出了一个能描述肝脏组织从低应变率到高应变率范围力学性能的率相关本构模型,该模型与实验结果有很好的一致性.     

基于PVDF薄膜传感器的猪肝动态压缩力学性能测试

瞬态冲击载荷作用下肝脏的力学响应是损伤生物力学的重要研究内容。本文提出了一种可用于软组织动态压缩力学特性测试的改进SHPB(分离式霍普金森压杆,Split Hopkinson Pressure Bar)方法。该方法采用PVDF(聚偏氟乙烯,Polyvinylidene Fluor)压电薄膜传感器测量实验过程中试件两端面的受力,以此来计算试件的应力,从而无需测量透射杆上的微弱透射信号。猪肝试样前后端面的PVDF压电信号对比表明,加载过程中试样达到了动态应力平衡状态。试样动态压缩中的惯性效应主要在加载的初始阶段对透射应力信号造成较大影响,在大变形阶段惯性效应引起的轴向应力较小。利用此方法对猪肝组织进行三种高应变率(1800s^-1,2500s^-1,3500s^-1)的动态压缩实验,并采用基于真实应变的惯性效应公式对实验数据进行修正计算。结果表明:猪肝组织在准静态与高应变率时的应力应变曲线都呈现出凹向上的非线性特征,即曲线初始阶段应力增长较缓慢,当应变达到15%后应力值则迅速增大;猪肝组织也具有明显的应变率效应,即随着应变率的增加,应力应变曲线的整体应力值也随之增大。最后,采用黏超弹性本构模型描述了猪肝组织的动态应力应变曲线。     

ZL114A铝合金本构关系与失效准则参数的确定

针对航空发动机机匣材料ZL114A铝合金,构建描述该材料在较大温度范围下大变形及失效行为的材料模型。通过万能试验机及分离式霍普金森压杆试验装置测试ZL114A铝合金在常温准静态、高温和高应变率下的力学性能,分析温度和应变率对材料流动应力的影响。采用有限元程序和优化算法反求25～375℃内材料的硬化参数,结合高应变率(1 310～5 964 s^-1)下材料的动态行为关系,构建包含塑性应变、温度及应变率的经验型本构模型。开展缺口拉伸、缺口压缩等试验并建立相对应的有限元模型,获取材料在不同应力三轴度下的失效应变,标定分段形式的Johnson-Cook (J-C)失效准则参数。通过不同温度下的平板侵彻试验和数值模拟验证失效准则及其参数的有效性。结果表明,ZL114A铝合金具有明显的应变硬化、温度软化及高应变率强化特性;具有应力饱和特征的Hockett-Sherby (HS)硬化模型较为准确地描述材料大变形下的力学行为;构建的材料本构关系可以描述ZL114A铝合金在大应变、宽温度、高应变率下的力学行为;分段形式的失效准则具有预测不同温度下材料失效行为的能力。     

高速冲击表面处理对金属材料力学性能和组织结构的影响

高速冲击表面处理过程中的应变率对金属材料的宏观力学性能和微观组织结构都具有重要影响。根据当前应变率效应的研究成果,从宏观与微观相结合的角度出发,综述了高速冲击表面处理过程中应变率对金属材料强度和塑性的影响规律,并重点阐述了不同应变率下金属材料内部微观组织结构的演变规律,主要包括晶粒结构、绝热剪切带、相变、位错组态和析出相以及变形孪晶等。此外,还分析了组织结构随应变率的演化和微观变形机制的转变对材料力学性能的强化和弱化机理。最后,对高速冲击表面处理梯度组织的变形特点进行了总结。提出了不同组织结构对材料性能影响的综合效应模型,以期为应变率效应的深入研究奠定基础。     

6061-T6铝合金动态拉伸本构关系及失效行为

采用HMH-206高速材料试验机开展了6061-T6铝合金在0.001～100 s?1应变率范围内的静、动态拉伸力学性能实验,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6061-T6铝合金流动应力和应变率敏感性指数的影响,并基于实验结果对Johnson-Cook本构模型进行了修正。结合缺口试件的实验结果和模拟数据,得到了材料的Johnson-Cook失效模型参数,并对模型的准确性和适用性进行了验证。结果表明,在拉伸载荷作用下,6061-T6铝合金表现出明显的应变硬化特征和应变率敏感性,其流动应力随应变率的升高而提高,修正的Johnson-Cook本构模型可以描述材料的动态塑性流动行为,建立的Johnson-Cook失效模型能够表征材料的断裂失效行为。     

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。     

LZ50车轴钢疲劳短裂纹萌生的数值模拟

针对LZ50车轴钢的疲劳短裂纹应用数值方法对疲劳短裂纹在LZ50车轴钢中的萌生进行了数值模拟.利用二维Voronoi图随机地生成了该材料的微观结构.根据对疲劳试样所施加的载荷,结合有限元法得到了该微观结构中应力和应变的分布规律.最后利用材料的疲劳S-N曲线和裂纹萌生的概率方法给出了在不同循环周次下LZ50钢中疲劳短裂纹的萌生过程.该数值模拟的结果可用于进一步分析LZ50车轴钢中疲劳短裂纹的扩展和群体演化行为.文中还指出在单向拉压的工况下,短裂纹的萌生方向主要受到与载荷方向相一致的应变影响,最大剪应变方向萌生方向的夹角为45°.     

超高强度钢AF1410塑性流动特性及其本构关系

在本文中,为揭示超高强度钢AF1410的塑性流动性,并研究其塑性流动本构关系,利用CSS4410电子万能试验机和改进的Hopkinson拉压杆技术,对AF1410钢在温度从100K到600K,应变率从0.001/s到2000/s,塑性应变超过20%的塑性流动特性进行了试验研究。结果表明,拉伸加载下AF1410钢屈服强度低于压缩屈服强度,且随应变率增加,拉压屈服强度差值越来越大;该材料塑性流动应力对应变率敏感性低,而对温度较为敏感;随应变率的提高,该材料拉伸失效应变减小,但温度对失效应变无明显影响。最后基于位错的运动学关系,借助试验数据,获得了AF1410钢的塑性流动物理概念本构模型,并通过与经典J-C模型的结果对比对该物理概念本构模型进行了评估分析,表明该物理概念本构模型在较宽温度和应变率范围能较好的预测AF1410钢的塑性流动应力。     

飞机风挡无机玻璃在不同应变率下的力学行为

利用电子万能试验机和改进的分离式Hopkinson压杆测试了飞机风挡无机玻璃在2种准静态应变率(4×10-4、4×10-3 s-1)和2种动态应变率(200、400 s-1)下的单轴压缩力学行为,并利用高速摄像机记录试样破坏过程。实验结果表明:玻璃破坏时表现为典型的脆性材料,随着应变率的提高,材料的压缩强度显著提高。通过观察试样变形过程及变形后的形貌可知,玻璃在压缩载荷下的破坏模式为横向张应力引起的裂纹成核、沿轴向扩展与联结交错导致的失效破坏,并从微裂纹成核扩展和能量耗散的角度对材料的应变率效应做出了合理的解释。     

破甲过程初步分析及一些基础知识

前言爆炸力学这门学科有一个中心课题,那就是研究材料或物体在高速冲击下的变形和运动。这个课题主要包括两方面内容:一是材料在高速冲击下的性能,例如高速、高压、高温下的材料的物态方程,破坏强度或塑性屈服强度以及应力同应变、应变率之间的关系;另一是材料或物体受爆炸作用或高速冲击后的变形和运动。前者属于材料基本性质的研究,后者则直接和实际问题相联系。当然,对两者的研究是不可分割的,是相辅相成的。      

Zr基非晶合金JH-2模型的构建及应用

为构建Zr_62.5Nb₃Cu_14.5Ni₁₄Al₆非晶合金在高压、大应变、高应变率状态下的材料模型，采用根据实验数据理论推导和数值模拟对比反馈的方法，对材料的Johnson-Holmquist本构模型（JH-2模型）参数进行了研究:材料的静水压力-体应变关系通过平板冲击实验数据和理论推导得到；无损材料强度与应变、应变率的关系通过轴向压缩实验数据确定；材料损伤参数与破碎材料强度参数的关系通过平板冲击实验数据确定；破碎材料强度参数通过数值模拟与实验结果对比的反馈法得到。将材料模型应用于平板冲击和破片侵彻的数值模拟，通过数值模拟与实验结果对比的方式，验证材料模型的准确性。结果表明，平板冲击实验中，材料的自由面粒子速度曲线与数值模拟结果吻合度较高；破片侵彻实验中，破片对钢靶的侵彻深度、开坑孔径与数值模拟结果的一致性较好，构建的材料模型较准确反映了材料的动态力学特性。     

AA7075-T6复杂加载状态下断裂极限研究

为研究航空铝合金AA7075-T6板材在复杂加载状态下的韧性断裂力学性能,设计4种包含不同应力状态的拉伸试验和液压胀形试验来获取材料的硬化特性和断裂参数。通过不同应变率和不同轧制方向的拉伸试验得到相应的应力-应变曲线,分别采用不同硬化模型和DF2016韧性断裂准则对其硬化行为和断裂特性进行表征。结果表明AA7075-T6狗棒试件在应变率为1 s^-1和10 s^-1时重复性较好,应变率为100 s^-1时应力-应变曲线出现明显的抖动,但随着应变率的增加没有出现明显的应变率强化效应。而且对比7个轧制方向的应力-应变结果发现,不同角度的拉伸强度和断裂应变基本相同。因此在研究范围内AA7075-T6表现为一种各向同性且关于应变率不敏感的材料。采用Swift-Voce硬化模型的预测效果最好,DF2016韧性断裂准则可以准确预测AA7075-T6在剪切、单轴拉伸、平面应变拉伸和等轴拉伸等不同应力状态的断裂位置。     

大应变率范围内AM80镁合金的变形行为及组织演变

采用INSTRON准静态压缩试验机和分离式霍普金森压杆装置，研究固溶态AM80镁合金在室温准静态和冲击载荷下的变形行为及组织演变。准静态载荷下，流变应力随应变率（3×10-5~4×10-1 s-1）的升高逐渐降低，表现为负应变率敏感性；冲击载荷下，流变应力随应变率（7.00×102~5.20×103 s-1）的升高而升高，呈现出明显的正应变率敏感性。冲击载荷下AM80镁合金的变形机制以基面滑移和孪生为主，大量细小致密的形变孪生以及适量非基面滑移的启动是AM80镁合金在冲击载荷下流变应力明显高于准静态载荷的重要原因。此外，随应变率的升高，AM80镁合金变形的均匀性明显增强，当应变速率升至3.65×103 s-1时，冲击变形所引起的局部绝热温升软化大于应变硬化与应变速率硬化的总和，部分晶粒产生了明显的动态回复，使得孪晶密度和变形均匀性反而降低。     

考虑晶体取向的Al0.3CoCrFeNi高熵合金动态力学性能研究

鉴于高熵合金材料(high-entropyalloy,HEA)在高应变率动态响应下呈现不同的破坏模式及力学性能,其潜在机理从宏观角度已不能够完全解释,需从微观角度研究其动态响应过程中的原子结构变化、位错分布变化、演变机理及变形机制,为优化HEA防护材料的加工工艺、制备方法等提供参考。利用分子动力学模拟的方法,设计了[100]、[110]和[111]等3种取向结构的Al_0.3CoCrFeNi高熵合金在不同应变率下的压缩、拉伸及冲击试验,分析了动态响应过程中原子结构变化、位错分布变化、演变机理及变形机制。压缩试验中：[110]取向结构的Al_0.3CoCrFeNi高熵合金的屈服强度最高,[111]的次之,[100]的最低;[100]取向结构的Al_0.3CoCrFeNi高熵合金主要的变形机制为孪晶变形,[110]的为滑移变形,[111]的为位错变形。拉伸试验中：[111]取向结构的Al_0.3CoCrFeNi高熵合金的屈服强度最高,[100]的次之,[110]的最低;[100]取向结构Al_0.3     

递进式凸轮加载的中等应变率实验技术

研制了一种可以实现多次加载的凸轮递进式中应变率压缩实验系统。该实验装置采用伺服电机驱动蓄能飞轮转动,后蓄能飞轮带动加载凸轮压缩加载杆的方法,实现对试样中应变率的压缩;同时在一级压缩即将结束时步进电机迅速推动蓄能飞轮贴近加载凸轮,实现多级压缩。试样的动态压缩载荷通过两侧杆上粘贴的应变片所记录的应变信号得到;试样变形过程通过激光干涉测速系统测得的试样两侧杆端的运动速度信号得到。以纸蜂窝试样为例,基于研制的中应变率实验系统,并结合高速摄影图片,研究了厚度10 mm、直径14.5 mm的纸蜂窝试样在应变率3.5 s^-1下的动态压缩力学性能,得到了单级压缩和两级压缩过程中纸蜂窝试样的应力-应变曲线和变形过程,并讨论了该实验系统的可靠性。此实验系统可以实现多级递进式中应变率加载;纸蜂窝试样在中等应变率下的峰值强度和平台应力对高应变率下的动态压缩实验数据和低应变率下的准静态实验数据进行了较好地衔接;试样的失效模式主要为准弹性变形后的外壁屈曲和面内剪切。     

高锁螺栓连接件动态拉伸响应与失效机理

飞机坠撞过程中结构的变形模式和吸能对乘员保护具有重要意义，而连接结构的载荷传递和失效形式是影响飞机结构变形的重要因素之一。为了获取航空高锁螺栓连接件在坠撞载荷下的动态响应和失效机理，基于抗剪型平头高锁螺栓设计了2种材料（2024-T3和7050-T7451）的单钉单搭接连接件，利用高速液压伺服材料试验机进行4种速度（0.01、0.10、1.00和3.00 m/s）下的拉伸测试，得到连接件的动态响应、极限载荷、能量吸收和失效模式随速度的变化规律，并分析了连接件的失效机理。结果表明，连接件的失效模式受母材和高锁螺栓/螺母材料强度影响较大，而受加载速度影响较小；当速度从0.01 m/s增加到3.00 m/s时，2024-T3连接件的极限载荷和能量吸收分别增加了2.17%和34.43%，7050-T7451连接件的极限载荷和能量吸收分别增加了5.53%和6.58%。     

脉冲载荷作用下钢梁动力响应及反常行为的应变率效应

为了讨论率敏感材料软钢钢梁受矩形脉冲载荷作用下的动力响应问题,通过直接离散有限变形弹 塑性连续体最小加速度原理中的Lee泛函得到基本控制方程,并将包含应变率的Cowper-Symonds方程嵌入 应力-应变关系方程,使该计算模型计及材料的应变率效应,因而能够准确描述钢梁受爆炸和冲击载荷作用下 的动力响应问题。该计算模型的有效性通过与通用有限元程序ABAQUS比较而得到了验证,并进一步与已 有的刚塑性解做了对比。利用该计算模型进行数值计算,分析了均布和集中脉冲载荷作用下钢梁动力响应的 应变率效应,结果发现对于钢梁存在新的异常行为响应模式,应变率导致异常区域偏移和扩大,已有的刚塑性 解在一定载荷强度范围内不能准确预报钢梁的实际位移。     

高速Taylor冲击下CoCrNiSi0.3C0.048中熵合金变形微观结构的演变机制

通过对具有三级沉淀微观结构的CoCrNiSi_0.3C_0.048中熵合金(MEA)进行了Taylor冲击试验，形成了具有宽泛应变和应变率梯度的Taylor杆状试样，研究了其应变和应变率依赖的梯度微观结构分布特征及演化机制.随着应变和应变率的增加，一级Cr₂₃C₆碳化物的演变方式主要为裂纹数量增多，主裂纹中裂纹分叉增多以及裂纹宽度变大.二级Type-Ⅰ型SiC沉淀变形的演变方式主要为裂纹的产生和扩展.三级Type-Ⅱ型SiC沉淀主要为位错-绕过机制逐渐加剧.FCC基体的演变方式主要为位错与孪晶和三级沉淀之间的相互作用加剧.     

金属正交波纹夹芯结构的动态压缩响应

通过理论和数值方法，对冲击载荷下金属正交波纹夹芯结构的动态压缩响应进行了研究。考虑材料应变率影响，建立了金属正交波纹夹芯结构动态响应的理论模型，同时对它的动态压缩响应进行了有限元模拟。结果表明，考虑材料应变率影响的理论模型的预测结果与有限元模拟结果吻合较好。进一步对多层正交波纹夹芯结构的动态压缩响应进行了数值模拟，获得了不同速度冲击下的变形模式，分析了层数对其动态响应的影响。研究发现，通过增加层数能够有效地增强结构的缓冲吸能能力，但层数超过4层以后增强效果不明显。     

高弹态未硫化橡胶在不同变形模式下的循环加卸载力学行为

对高弹态未硫化橡胶实施了不同变形模式(单轴拉伸和压缩)的循环力学实验,以考察其黏超弹性响应以及应变率对力学行为的影响。结果表明,材料的拉伸、压缩性能与加载速率和变形历史均有着显著的相关性。对于循环拉伸变形,应力-应变曲线的非线性特征较为明显,材料表现出类似于屈服的性质,且随着循环次数和变形量增加,迟滞损耗的积累趋势逐渐减弱;而对于循环压缩变形,应力-应变关系接近线弹性,且随着循环次数和变形量增加,材料刚度和迟滞损耗积累的趋势都逐渐增强。针对上述实验结果,在经典的Bergstrom-Boyce模型中引入损伤变量,对未硫化橡胶的应变率相关性和Mullins效应进行表征。理论计算结果表明,这种非线性黏超弹模型能够较好地描述未硫化橡胶在不同载荷条件下的变形响应与应力软化特征。