液压膨胀环动态拉伸碎裂的有限元模拟

液压冲击膨胀环实验平台能有效地实现韧性金属圆环在高应变率拉伸载荷作用下的动态断（碎）裂。本文采用流固耦合的有限元数值计算方法,模拟了实验过程中金属圆环在高压液体作用下的运动、变形和断裂现象。分析了装置和试件的接触应力对试件碎裂过程的影响并讨论了如何实现液压对试件的有效加载。计算结果表明,实验中的初始接触应力和液体的较长时间加载对试件的碎裂过程没有显著影响;在合理的加载条件下,液压膨胀环实验技术是研究固体动态拉伸碎裂的有效手段。     

厚度与加载速率对铁素体钢断裂韧性影响的SP压杆法实验研究

采用SP压杆实验方法,在常温下研究小圆薄片断裂韧性的厚度效应及加载速率对断裂特性的影响.实验结果表明,随着厚度的增加,断裂变形能增加,断裂部分的外表面因双向应力状态表现出微突起,微突起四周存在微小裂纹;随着加载速度的增加,断裂变形能增加,剪切断裂表面表现出从密集韧窝到韧窝连接成片特征.考虑试件变形过程中不同部分的能量耗散,从SP试件的整体断裂变形能得到试件的断裂韧性的宏观表达,断裂韧性随着厚度的增加而增加,随着加载速度的增加而减少.采用临界塑性断裂应变作为裂纹起裂判据,单位面积的能量耗散率作为裂纹扩展和失效判据的断裂模型,用有限元方法对SP压杆实验进行模拟,得到与实验结果比较相符的模拟结果.     

PMMA膨胀环动态拉伸碎裂实验研究

在强动载作用下,脆性材料的碎裂问题是一个重要的研究课题,而脆性材料在冲击拉伸载荷下的力学行为的实验研究相对较匮乏.提出了一种动态拉伸断(碎)裂的液压膨胀环实验技术,可用于准脆性/脆性材料的动态拉伸.利用该技术对有机玻璃(PMMA)圆环试件进行了不同膨胀速度下的动态碎裂实验研究.从回收碎片的断口形貌和碎片内部残余裂纹观察可知试件的破碎由环向拉伸应力造成,碎片断口处发出的稀疏波会将周围的拉伸应力卸载,从而抑制其他裂纹的进一步发展.利用超高速相机记录了试件的膨胀碎裂过程,利用DISAR激光速度干涉仪获得了试件外表面粒子的径向膨胀速度历史,通过试件上的应变片获得了试件的应变历史和断裂应变.实验结果表明:在拉伸应变率150～500 s~(-1)范围,材料的动态断裂应变低于准静态加载下的断裂应变,体现出"动脆"现象;随着加载应变率的提高,PMMA材料的碎片尺寸减小;无量纲化的PMMA圆环的平均碎片尺寸介于韧性碎裂模型和脆性碎裂模型的预测数值之间,反映出材料的准脆性特性.     

40CrNiMoA钢的动态剪切断裂行为研究

采用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ单压杆技术对４０ＣｒＮｉＭｏＡ钢单边平行双裂缝试样进行高速剪切加载,得到了在不同动态高加载率时的动态断裂起始韧性。实验表明,在实验的加载率范围内,沿原裂纹方向扩展的动态剪切型断裂存在两种不同的断裂模式,分别称为常规的韧性剪切断裂模式和绝热剪切型断裂模式。前者的断裂韧性随加载率的提高而增大,而后者的断裂韧性则随加载率的提高而减小。根据对这两种断裂行为及其相互转变的实验结果的分析探讨,认为存在一个临界应力强度因子率Ｋｃｄ,它表征两种断裂模式发生转变的条件。     

用短棒试件测试无烟煤的动态断裂韧度

介绍了设计的新型圆台式压头及配套的衬片加载部件,推导了采用新的加载部件进行冲击断裂实验时的断裂韧度计算公式。采用SHPB实验装置,用新加载部件对带有V形切口的无烟煤短棒试件的裂纹尖端施加拉伸载荷,测定了无烟煤的动态断裂韧度。结合准静态实验数据得到了无烟煤断裂韧度随加载率lg(dF/dt)的总体变化规律:当lg(dF/dt)6时,无烟煤的断裂韧度缓慢上升,但当lg(dF/dt)6以后,无烟煤的断裂韧度随加载率的增加快速增大。实验表明:圆台式加载比刀刃式加载更具优越性和适应性,是测试岩石类材料短棒试件动态断裂韧度较好的方法。     

动静组合加载作用下花岗岩破碎的分形特征

在分离式霍普金森压杆实验装置上进行了花岗岩破坏的动静组合加载实验.通过对受载后岩样破碎块度进行筛分统计,得到了该加载条件下岩石破碎的粒度分布.在此基础上,通过理论计算公式,进一步得到了相应的破碎分形维数,分别探讨了静载荷和冲击载荷对分维数的影响.结果表明,动静组合加载作用下花岗岩破碎分维值在2.0～2.8之间;相同静载不同动载下,花岗岩的破碎分维值与试样的应变率有关,随应变率增大而增大;而在相同冲击动载下,静载荷变化对分形维数的影响不大.     

动静组合加载下花岗岩的力学性能

在霍普金森试验系统上进行了花岗岩动静组合加载试验,获得了花岗岩在动静组合加载下的力学性能.试验结果表明:当动载不变,改变静栽大小,在弹性范围内,花岗岩强度随着静载增大而增大;当静载超过弹性极限时,花岗岩强度迅速降低;在其破坏过程中对冲击能量的吸收随静载增大而减小;变形模量呈现明显的两段特征.当静载不变,改变动载大小,花岗岩的强度随动载增大而增大;变形模量先随动载增大而增大,而后又突然变小,并不出现两段特征;在其破坏过程中对冲击能量的吸收随动载应变率的增大而逐渐增大.所得结果为岩爆、深部破岩等研究提供实验依据.     

岩石SHPB实验加载过程中应力平衡问题分析

运用一维应力波理论,分析了弹性应力波在分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验中的传播过程,推 导出试件和压杆中应力分布相关计算公式。探讨了有关因素对试件应力平衡时间的影响规律,发现试件应力 平衡时间受试件/压杆广义波阻抗比和入射加载升时的影响显著,而不受试件/压杆截面积比和入射加载应力 幅值的影响。结合岩石SHPB实验,计算分析了不同入射加载应力幅值在不同入射加载升时情况下,试件达 到应力平衡时的应变变化特征,并提出了降低试件在应力平衡时的应变控制方法,使试件在未达到断裂应变 之前达到应力平衡,以保证实验的有效性。得出的结论对岩石类脆性材料SHPB实验方案设计具有一定的 参考意义。     

干燥和水饱和花岗岩的动态断裂特性

利用霍布金森压杆实验研究了干燥和水饱和花岗岩试件的动态应力应变关系。实验得到了干燥和水饱和花岗岩试件的平均动态拉断强度，表明水饱和花岗岩试件和干燥花岗岩试件的抗拉强度与加载速率具有不同的关系。对实验中实测试件层裂片的厚度进行了计算分析，对岩石类介质的动态断裂准则提出了初步见解。     

冲击荷载下岩石动态断裂韧度测定的实验技术

本文介绍了一种研究岩石动态断裂特性的实验技术。该方法采用自行设计的杆式冲击试验机,在加载率K1106Nmm-3/2s-1条件下对三点弯曲试件进行冲击加载。实验中,通过一套光电转换装置测量试件切口张开位移随时间的变化。由双通道的瞬态波形存贮器记录荷载和切口张开位移,得到了冲击条件下的荷载-切口张开位移曲线,通过张开位移速率的转折点来确定起裂点并计算动态断裂韧性K1d。本中给出了长宽高为1804040mm的大理岩试件的典型荷载-切口张开位移曲线和示波照片。试验结果可由微型机直接进行处理。     

加载速率和几何尺寸对国产A508-III钢断裂行为影响的实验研究

由加载速率和几何约束改变而引起的压力容器钢韧脆转变问题是核能安全领域亟待解决的关键问题. 为了准确分析国产A508-III钢的动态断裂行为, 借助INSTRON VHS高速材料试验机, 开展了不同加载速率和几何尺寸条件下的国产A508-III钢的断裂韧性试验, 研究了加载速率和几何尺寸等因素对国产A508-III钢动态断裂韧性的影响. 研究表明, A508-III钢具有良好的抗冲击韧性, 随着加载速率的提高, 试样的总冲击吸收能基本保持恒定, 裂纹萌生吸收能量不断上升, 而裂纹扩展吸收能量呈下降趋势. J-Δa阻力曲线和条件起裂韧性J_Q随着几何约束的增加而降低, 随加载速率的增加而升高. 当达到某一临界速率时, 条件起裂韧性J_Q基本恒定, 试样断裂方式也由韧性断裂转变为韧?脆?韧混合断裂. 由于出现混合断裂模式, 发生脆性断裂时的最大J积分值J_max更适于描述国产A508-III钢的断裂韧性演化规律. 随着试样面外几何约束的降低, J_max随Δa_m的增加而线性增大. 试样面内几何约束越高, J_max与Δa_m之间的线性关系斜率越大. 随着试样几何约束的增加, 材料的韧脆转变速率增加, J_max值下降. 改变几何约束只能在有限的加载速率范围内改变材料的断裂方式, 当加载速率超过某个临界值时, 加载速率成为影响材料断裂方式的主要因素.      

金属材料中低加载速率下的动态韧脆转变及断裂韧性测量

金属材料在冲击下的韧脆转变现象和动态断裂韧性的测量是金属材料冲击力学性能研究的重要组成部分.针对金属材料在冲击下的韧脆转变现象认识不足和韧性材料在较低加载率下动态$J$-$R$阻力曲线难以测量的现状,提出了采用高速材料试验机, 设计专用试验夹具,测量15MnTi钢和11MnNiMo钢在不同加载速率下的韧脆转变过程,以及裂尖约束对其动态韧脆转变速率变化的影响.在高速材料试验机上采用上夹具辊刹车,通过调节压缩杆长度改变试验中裂纹扩展量的试验方法,测量了15MnTi钢三点弯曲试样件在较低加载率下的动态断裂韧性.试验发现15MnTi钢CT试验件加载速率低于0.025 m/s时呈现出韧性断裂的特点,加载速率在0.1,$\sim$,0.5 m/s时为韧脆结合型断裂,加载速率高于0.5 m/s后进入脆性断裂区; 11MnNiMo钢CT试验件加载速率大于1.5 m/s后,分层断裂过程中出现先脆断后韧段的现象;发现15MnTi钢和11MnNiMo的动态韧脆转变速率受裂尖约束的影响非常明显,面内约束和面外约束的升高都会导致材料动态脆断速率出现明显降低;还发现三点弯曲试验中, 15MnTi钢在8788 MPa$\cdot$mm/s加载率内断裂韧性随加载率的提升呈现出缓慢下降的趋势.      

A Novel Method for Dynamic Short-Beam Shear Testing of 3D Woven Composites

A new test method for performing dynamic short-beam shear tests using a momentum trapped Hopkinson pressure bar is proposed. Angle-interlock 3D woven composite specimens were tested under quasi-static and dynamic loading conditions to determine the effect of loading rate on damage evolution. The equilibrium condition in the composite specimen under dynamic loads was verified using finite element analysis of the experiment. A high speed camera was used to capture delamination initiation and propagation during both quasi-static and dynamic experiments. Analysis of the load-deflection curves and the high speed images revealed a good correlation between the modes of damage initiation and propagation with the features in the loading response. The apparent inter-laminar shear strength and the bending stiffness increased with rate of loading. While the damage was observed to propagate at a relative steady rate during quasi-static loading, the high rate of energy input during dynamic loading resulted in a rapid propagation of damage and a subsequent loss of stiffness in the composite as noted in the load-deflection curve.     

脆性颗粒材料的应变率效应机理研究

利用分离式Hopkinson压杆（SHPB）,对干燥石英砂进行了被动围压下的动态压缩实验,发现石英砂表现出了明显应变率效应。通过激光粒度分析测量了动静态压缩后的试件的级配曲线,发现同一应力水平下准静态压缩比动态压缩后的试件的颗粒破碎量更大。而通过拟合相对破碎率与外力功之间的关系,发现准静态压缩在颗粒破碎方面能量利用率更高也即破碎效率更高,而这正是脆性颗粒材料应变率效应的本质原因。     

40Cr材料动态起裂韧性KId（）的实验测试

描述了利用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆技术加载三点弯曲试样测试４０Ｃｒ，材料动态起裂韧性ＫＩｄ（）的试验方法。试样上的动态载荷历程由Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ杆直接测得，并分别代入动态有限元程序及近似公式求得动态应力强度因子历史；由贴在试样裂尖附近的应变片确定起裂时间，最终确定起裂时的动态应力强度因子值，即动态起裂韧性ＫＩｄ（）。试验结果表明:利用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆技术加载三点弯曲试样测试材料动态起裂韧性的方法是可行的，起裂时，动态有限元的位移法、应力法及近似公式法求得的动态应力强度因子值比较吻合；在本文的载荷速率下，４０Ｃｒ材料动态起裂韧性ＫＩｄ（）与准静态裂韧性ＫＩｄ（）相比，降低了约２８％。     

Dynamic Necking of Notched Tensile Bars: An Experimental Study

The mechanics of necking inception in dynamically-stretched notched specimens have been investigated. For that task, a systematic experimental campaign of quasi-static and dynamic tensile tests on martensitic steel specimens has been conducted. Samples with and without notches have been considered. Unlike the quasi-static tests, the dynamically-tested notched samples revealed that, under certain loading conditions, flow localization may develop away from the groove. The experimental results presented in this investigation show that the presence of sharp geometrical imperfections in ductile materials subjected to dynamic loading does not necessarily dictate the necking and fracture locus.     

Dynamic Separation of Resistance Spot Welded Joints: Part II—Analysis of Test Results and a Model

The ultimate strength of resistance spot welded joints fabricated from a wide range of steel grades, weld button size, and sheet thickness are reported for lap-shear and cross-tension specimens subjected to quasi-static and impact loading conditions. Test data are analyzed with respect to energy, impact speed, and loading rate. Loading rate is identified as a critical, test system independent parameter to reflect the strain rate sensitivity of the steels. An equation is fitted to the ultimate strength test data as a function of loading rate which is proposed to predict the separation of spot welded joint under dynamic loading. The model is validated by test data from open literature generated from other type of specimens and/or dynamic test conditions.     

加载速率对40Cr钢Ⅱ型动态断裂特性的影响

采用新型Ⅱ型动态断裂测试技术,对高强钢40Cr在高加载速率下的Ⅱ型动态断裂特性进行了测试研究。基于新设计的Ⅱ型动态断裂试样和分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）技术,通过实验-数值方法确定了裂尖在加载过程中的应力强度因子曲线。采用应变片法确定了试样的起裂时间,最终得到40Cr的Ⅱ型动态断裂韧性值,并对其加载速率相关性和材料的失效机理进行了研究。结果表明,在1.08～5.53 TPa·m1/2/s的加载速率范围内,40Cr的Ⅱ型动态断裂韧性基本表现为与加载速率成正相关的变化趋势。通过对试样断口形貌的分析,确定了材料的失效模式及机理,发现随着加载速率的增加,存在拉伸型失效向绝热剪切型失效模式转变的现象。     

采用压缩单裂纹圆孔板确定岩石动态起裂、扩展和止裂韧度

爆炸、冲击、地震等人为或自然灾害不可避免,经常造成大量土木工程设施的破坏,因此岩石在动态载荷作用下的行为受到特别关注.岩石动态断裂韧度是评价岩石抵抗裂纹动态起裂、扩展和止裂性能的材料参数,开展岩石动态断裂韧度测试方法的研究对相关理论基础和实验技术的要求较高.岩石动态断裂韧度分为动态起裂、动态扩展、动态止裂三种,虽然关于动态起裂和动态扩展的研究已有一些成果,对岩石动态止裂的研究仍是一个难题,至今几乎无人问津.研究表明,在分离式霍普金森压杆撞击压缩单裂纹圆孔板岩石试样的I型动态断裂试验中,动态起裂、扩展、止裂的全过程可以由黏贴在压缩单裂纹圆孔板试样上的裂纹扩展计监测,岩石的动态起裂、扩展、止裂韧度可以用实验-数值-解析法确定.特别值得一提的是首次测出了岩石的动态止裂韧度.裂纹扩展计信号还显示,压缩单裂纹圆孔板在止裂后,停止的裂纹还会再次动态起裂、扩展并超出裂纹扩展计的检测范围.从能量的角度分析了动态止裂的过程,指出测试动态止裂韧度时要注意的一些问题.结果显示,岩石动态起裂韧度和动态扩展韧度分别随动态加载率和裂纹扩展速度的增大而增大,岩石动态起裂韧度略大于动态止裂韧度.