低应变率下硅铝质泡沫陶瓷复合材料的力学性能研究

以泡沫陶瓷复合材料在防护工程中的应用为背景,利用MTS(Material Test System,材料试验机)对该型材料进行了准静态压缩实验。得到了应变率在10-5~10-3s-1范围内的应力应变曲线,并对实验结果进行了理论分析和数值模拟。研究表明,泡沫陶瓷复合材料的力学性能在准静态一维应力压缩条件下显示出明显的应变率效应,同时其应力应变曲线可用一种经验的脆性材料本构模型进行较好地拟合。而在一维应变压缩条件下,材料的应力应变曲线则显示出明显的三段式特征:弹性段、平台段和密实段,同时材料的吸能幅值随着应变率的增大而增加。     

金属铍的压缩变形行为

利用材料试验机及Hopkinson杆装置系统开展热等静压金属铍在不同温度下的静动态压缩力学行为研究,获得了温度、应变率对金属铍屈服强度和加工硬化行为的影响规律。结果表明:金属铍在压缩应力状态下呈现出良好的塑性,同时其力学性能具有显著的应变率敏感性与热软化效应,屈服强度和流动应力随应变率提高呈明显增大趋势,随着温度升高逐渐降低。同时,室温下其加工硬化行为随着应变增大表现为分段硬化特征,随温度升高则趋于理想塑性。最后,采用修正的Johnson-Cook本构模型对实验结果进行了拟合,模型计算结果与实验结果吻合较好。     

基于元件组合理论的砂岩动态损伤本构模型

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）系统,对砂岩进行不同速度下的冲击试验,得到砂岩的应变率效应特征以及典型的动态本构曲线。该曲线分为近似线弹性阶段、塑性阶段、塑性增强阶段和正向卸载阶段。通过组合模型的方法,构建了砂岩含损伤的动态本构模型,借助LS-DYNA软件中的用户材料子程序UMAT接口实现对本构模型的二次开发,并对砂岩在冲击速度为7.5、9.5、11.5和13.5 m/s 4种情况下的SHPB动态冲击压缩试验进行模拟。结果表明:所构建的模型可以很好地描述砂岩的应变率效应和应力-应变曲线弹性段,并且动态峰值强度、最大应变均与试验结果一致,应变率、峰值强度、最大应变与试验结果的相对误差不超过10%。所构建的砂岩动态本构模型能够准确地描述砂岩在冲击作用下的动态力学特性。     

火焰复合层对化学交联聚乙烯发泡材料力学性能的影响

化学交联聚乙烯发泡材料(Cross-linked polyethylene,XPE)具有优异的物理、化学与力学性能,被广泛应用于工业领域。本文通过对不同层数的XPE发泡材料进行加载-卸载试验与压缩循环试验,得到不同层数XPE发泡材料的应力-应变曲线,获得了弹性区与平台区分界点的应力与应变、平台区与强化区应力的数量关系。通过计算得出应力-应变环的面积,发现其能量耗散能力随加载次数增加呈现下降趋势。结果表明,单层XPE发泡材料的弹性区与平台区弹性极限应变、临界应力强度和应力环面积等性质与多层材料相比差别显著,而多层材料间力学性能的差异微小。这些特征表明,火焰复合层自身具有较大的刚度并对发泡材料孔壁有较强的约束,改善了XPE发泡材料的刚度、弹性模量及耗能能力等。     

软岩的动态力学本构模型

利用分离式霍布金森压杆实验系统(SHPB)对2种典型的软岩砂质、泥岩进行动态力学性能测试, 测试的应力应变曲线表现出显著的应变硬化和塑性流动等复杂的动态力学特性。基于实验结果,在朱-王-唐 模型的基础上,并且考虑软岩本身结构缺陷的影响,建立了一种适应软岩材料的黏弹性统计损伤模型。该模 型由2个Maxwell体和1个损伤体并联组成,2个Maxwell体用来描述对软岩高分子材料的高低应变率响应 以及软岩材料在动载作用下的塑性变形特性,考虑软岩材料本身缺陷的影响,用一个损伤体代替朱-王-唐模 型中的非弹性弹簧。利用黏弹性统计损伤模型对不同应变率下软岩材料的动态应力应变曲线进行拟合,拟合 曲线与测试曲线一致性良好。     

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。     

填充硅橡胶的泡沫铝复合材料的力学性能

用渗流法向开孔泡沫铝-硅合金和泡沫纯铝中充填硅橡胶获得含硅橡胶的泡沫材料, 在材料试验机和SHPB上对含硅橡胶的复合材料进行动态与准静态压缩实验。实验结果表明:含硅橡胶的泡沫复合材料只有弹性段和塑性段两个阶段,具有更高的应变率敏感性,其应力-应变曲线抖动幅度比较大。     

考虑围压效应的冻结砂土动态本构模型研究

为描述主动围压作用下冻结砂土的动态力学特性,通过在朱-王-唐模型的非线性体上串联塑性体,建立了能够考虑围压效应的冻结砂土动态损伤本构模型;分析了损伤参数对应力-应变曲线特征、屈服点、峰值应力和峰值应变的影响规律,基于冻结砂土动力学试验数据确定了模型参数;通过将模型和试验数据进行对比,并对不同试验条件下模型的预测误差进行分析,验证了模型的适用性和准确性。结果表明,损伤参数对应力-应变曲线弹性阶段和屈服点无明显影响,而对塑性阶段和破坏阶段的影响较为显著,本构模型预测的应力-应变曲线与试验结果具有较好的一致性。模型能够预测围压引起冻结砂土塑性阶段占比大和屈服点明显的特征,且能够描述围压对冻结砂土动态强度的增强效应;不同负温和主动围压条件下,模型对峰值应力和屈服强度的预测效果优于峰值应变和屈服应变。     

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。     

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。     

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。     

高应变率下航空透明聚氨酯的动态本构模型

采用低阻抗分离式霍普金森压杆对航空透明聚氨酯进行了高应变率下的动态力学性能测试,得到的应力应变曲线表现出了显著的非线性黏弹性特征。基于本构理论和实验数据,构建了航空透明聚氨酯的松弛时间应变相关的超黏弹性本构形式。该本构模型由2部分组成:一部分表征准静态下的超弹性行为,另一部分描述非线性应变率的相关特性。利用超黏弹性本构模型对不同应变率下航空透明聚氨酯的动态应力应变曲线进行拟合,拟合曲线与实验曲线一致性良好。     

不同应变率下煤岩破坏特征及其本构模型

利用直径50 mm的分离式霍普金森压杆,对煤岩展开20～100 s?1动态应变率下的单轴冲击压缩试验,结合高速摄影分析其变形破坏特征,并建立基于Weibull统计分布和Drucker-Prager破坏准则的煤岩动态强度型统计损伤本构模型。试验结果表明:（1）煤岩动态应力-应变曲线存在明显的非线性特征,随应变率升高,动态抗压强度与弹性模量均呈线性增长且增幅显著,破坏形态由低应变率下的轴向劈裂破坏向高应变率下的压碎破坏过渡;（2）在动态应变率20～100 s?1下,煤岩破坏后碎块具有明显的分形特性,破碎块度分维值为1.9～2.2,且随着应变率的升高,煤岩破碎程度增大,碎块块度减小;（3）基于Weibull分布参数F₀、m和应变率的关系,修正煤岩的本构模型,并与试验结果进行对比,验证该模型的合理性。     

双基推进剂的高应变率力学特性及其含损伤ZWT本构

为了解双基推进剂在冲击载荷下的力学特性及本构行为,利用材料试验机和分离式霍普金森压杆（SHPB）对双基推进剂进行了单轴压缩实验,并对实验数据的有效性进行了检验。用二波法对实验数据进行处理,得到了双基推进剂的应力应变曲线。实验结果表明:双基推进剂具有明显的应变率相关性,动态下屈服应力与静态下相比明显提高,且屈服应力表现为应变率对数的双线性关系;双基推进剂屈服应变表现为延脆转换特性,在低应变率下表现为延展性,高应变率下表现为冲击脆化特性。利用含损伤朱王唐（ZWT）本构模型对实验结果进行了拟合,得到了模型中的本构参数,并对损伤因子项进行了分析。通过模型预测曲线与实验曲线的对比,发现含损伤ZWT本构能较好地描述双基推进剂在0～0.14应变范围内的力学特性。     

准静态压缩应力-应变曲线测量方法的探索

本文介绍了用应变片直接测量材料的准静态应力-应变曲线的试验研究。在MTS810材料试验机上分别对93W、G50、砂浆等几种材料进行了准静态压缩试验。由于仪器的系统误差不能由MTSCod规准确的得到材料的真实的弹性变形。为此在试件的中部贴应变片得到材料的弹性变形,塑性变形仍旧由MTSCod规记录,从而得到试样的真实的应变,准确获得准静态压缩应力-应变曲线。试验结果表明:在试件中部贴应变片的方法能够准确得到该材料的杨氏模量;在试件两端垫块的刀口上安置Cod规可得到材料的应力应变曲线。两者的合理组合即可得到准确而完整的准静态压缩应力-应变曲线。试验中还发现准静态实验中试件的断面加工不平,偏心压缩等都会影响E的准确测量。     

复杂加载下混凝土的弹塑性本构模型

混凝土材料在不同应力路径下或复杂加载条件下会表现出差异性显著的应力应变关系,在小幅循环加载条件下,其应力应变关系会表现出类似于弹性变形的滞回曲线.在不同应力水平下,混凝土的应力应变关系以及破坏特性都具有静水压力相关特点,即随着静水压力增大,各向异性强度特性弱化.此外,混凝土受压及受拉破坏机理不同,因而对应于混凝土硬化损伤亦有不同,即可分为受压硬化损伤,受拉硬化损伤及两者的混合硬化损伤类型.基于Hsieh模型,对该模型进行了三点改进.（1）针对小幅循环加载下混凝土无塑性变形的试验规律,而模型中在应力水平较低的循环加载条件下始终存在塑性变形的预测问题,采用在边界面模型框架下,设置了应力空间的弹性域,初始屈服面与后续临界状态屈服面几何相似的假定.（2）基于广义非线性强度准则将原模型采用变换应力方法将其推广为三维弹塑性本构模型,采用变换后模型可合理的考虑不同应力路径对于子午面以及偏平面上静水压力效应形成的影响,并避免了边界面应力点奇异问题.（3）分别对拉压两种加载损伤模式建议了相应的硬化参数表达式,可分别用于描述上述加载中产生的应变软化及强度退化行为.基于多种加载路径模拟表明:所建立的三维弹塑性本构模型可合理地用于描述混凝土的一般应力应变关系特性.      

宽应变率范围下2A16-T4铝合金动态力学性能

为了研究2A16-T4铝合金的动态力学性能,利用电子万能试验机、高速液压伺服试验机及霍普金森压杆(SHPB)装置进行常温下准静态、中应变率和高应变率的动态力学性能实验,得到不同应变率下的应力应变曲线,基于修正的Johnson-Cook本构模型对它进行拟合,并分析材料中应变率力学特性对模型应变率敏感参量的影响。结果表明:2A16-T4铝合金在应变率10-4~102 s-1范围内应变率敏感性较弱,而在102~103 s-1范围内应变率敏感性较强,且应变率强化效应随塑性应变的增大而减小;同时,在10-4~103 s-1范围内具有较强的应变硬化效应,且应变硬化效应随应变率的增大而减小;此外,修正Johnson-Cook本构模型的拟合结果与实验结果吻合很好,能够很好表征材料的动态力学行为,且考虑材料中应变率力学特性可提高本构模型参量的准确性。