混凝土类材料在SHPB实验中惯性效应的数值模拟研究（英文）

分离式霍普金森压杆(SHPB)被广泛应用于测试混凝土类材料在高应变率(10~103 s-1)下的动态增强效应。为更好地理解这类问题,进行了数值模拟研究,采用J2本构模型研究SHPB试验中的纵向惯性效应,线性Drucker-Prager模型研究SHPB试验中的径向惯性效应。研究结果表明:纵向惯性效应不影响动态增强因子;径向惯性效应对动态增强因子有影响,但不是混凝土类材料在高应变率下动态增强因子提高的最主要原因。     

冲击作用下的摩擦力效应实验研究

针对摩擦力效应产生的机理, 本文设计了三种不同尺寸的试件进行SHPB实验, 得到了摩擦力效应对实验的定量影响, 在此基础上对混凝土的DIF进行了修正研究, 为混凝土抗冲击工程设计提供了参考依据. 关键词： 冲击 混凝土 SHPB 摩擦力     

高温SHPB冲击实验技术及其应用

 为研究高温下材料的动态力学性能,研制了一套适用于分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB）高温冲击实验的温控系统。利用该温控系统和Φ100 mm常规SHPB装置,对混凝土在高温下的动态力学性能进行了实验研究,实验温度分别为20、200、400、600、800和1 000 ℃。结果表明：由管式实时加热装置和箱式预加热炉组成的温控系统操作方便,实验效率高,试件组装方法简便可行;热传导导致的试件温度分布不均匀和压杆局部温升对实验结果产生的影响可以忽略,实验技术可靠;高温下混凝土动态力学性能的温度效应十分明显,相同冲击速率下,随温度升高,平均应变率逐渐增大,动态应力-应变曲线逐渐表现出塑性特性,动态抗压强度随温度升高先增大后减小,动态峰值应变随温度升高不断增大。     

爆炸载荷作用下锥形飞片的平面度研究

 尽管分离式Hopkinson压杆（SHPB）和轻气炮作为较为常用的两种动加载手段已经被广泛应用到多种材料的动态力学特性研究之中,但由于其自身加载试件尺寸较小,难以满足真实的混凝土和钢筋混凝土的实验研究需要。为解决该问题,提出了一套大尺寸简易爆炸加载装置,将飞片设计为锥形,利用炸药直接驱动飞片,实现大尺寸加载。先用数值模拟完成对爆轰加载装置的初步设计和优化,通过模拟炸药驱动飞片的动力过程,给出飞片和药柱的优化尺寸;然后利用自制的同轴探针、脉冲形成网络和两台示波器进行靶场实验测定,研究飞片平面度,提出改进方案,最终为大尺寸混凝土和钢筋混凝土试件的动态加载实验做准备。     

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。     

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。     

无机玻璃动态压缩破坏的离散元模拟

利用离散元软件PFC~(2D)(Particle Flow Code)建立了分离式霍普金森压杆(SHPB)系统,模拟了无机玻璃圆柱和圆盘试件在冲击压缩下的动态力学行为和失效破坏模式。结果表明:无机玻璃作为典型的脆性材料,其抗压强度具有明显的应变率效应,而杨氏模量则对应变率不敏感;无机玻璃圆柱的破坏过程受纵向压力、端面摩擦力以及横向惯性力的影响,初期微裂纹呈三角状分布,随着纵向应力水平的提高,出现明显的泊松效应,产生横向张应力,致使微裂纹沿纵向扩展,最终试件发生沿轴向的劈裂断裂;摩擦系数和泊松比对试件破坏模式及强度有一定影响。将建立的SHPB数值实验平台用于模拟无机玻璃巴西圆盘试验,揭示了圆盘发生中心开裂的拉伸特征及拉伸强度的应变率相关性。     

组合式隔热陶瓷短杆高温SHPB实验技术

讨论和分析了当前高温分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术,为了获得材料在高温下可靠的动态力学性能,建立了一套在压杆和试件之间添加隔热陶瓷短杆的高温SHPB实验系统。相比于传统接触式高温SHPB方案,该系统可以使用在更高的冲击载荷和温度下,与机械对杆方案相比,实验装置及其控制要简便许多。结合有限元模拟,对陶瓷短杆及温度场对压杆中应力波传播的影响进行了相应的评估,并利用这套实验系统得到了800℃下HR2抗氢钢的动态压缩应力-应变曲线。     

具有不同界面相厚度的混凝土动态特性

在细观层次上,可将混凝土看作由水泥砂浆、粗骨料和界面相组成的三相复合材料。为探讨界面相对混凝土动态力学特性的影响,编写了含界面相的圆形骨料随机分布程序,并对具有不同界面相厚度的混凝土动态破坏过程进行模拟,揭示界面相厚度、粗骨料大小、粗骨料体积分数和试件尺寸对混凝土动态特性的影响规律。研究表明:与普通混凝土相同,含界面相的混凝土表现出明显的尺寸效应;随着界面相厚度的增大,混凝土承载能力逐渐减小;保持界面相厚度和粗骨料尺寸不变时,随着粗骨料体积分数的增加,混凝土承载能力呈先增大后减小趋势;保持粗骨料最小粒径和界面相厚度不变时,随着粗骨料最大粒径的增大,混凝土承载能力呈先增大后减小趋势。     

惯性对多孔金属材料动态力学行为的影响

 对泡沫金属材料的力学性能已经进行了十分广泛的研究,但在对泡沫金属的应变率效应和惯性效应的研究中,尚存在一些矛盾的结论。为进一步认清惯性在多孔金属动态响应中的作用,用有限元计算方法模拟了二维Voronoi蜂窝的动态压缩行为,得到了不同速度下Voronoi蜂窝的3种变形模式。通过改变基体材料的密度和冲击速度进行“数值实验”,得到了相应“试件”的由冲击面和支撑面得到的宏观平均应力应变曲线和平台应力。根据数值模拟的结果,着重分析了惯性效应的影响。研究发现,惯性并不影响蜂窝的应力应变曲线,但它导致试件中宏观变形不均匀,是平台应力提高的主要原因。     

PVDF压电计的动态响应特性及其在橡胶材料SHPB实验中的应用

通过夹心式PVDF(Polyvinylide Fluoride)压电计的动态分离式Hopkinson压杆(SHPB)标定实验,系统地讨论了传感器的动态响应特性,其中包括测量电路、PVDF表面应力集中、压电计的材料及结构特性和同一压电计受多次撞击对测试信号的影响,为PVDF压电计的制作工艺研究提供参考。利用标定好的压电计测试了橡胶材料在SHPB实验中的动态应力均匀过程。结果表明:调节并联电阻值可以提高压电计的传感精度;增大压电计的敏感面积可以减小因应力集中所造成的信号失真;材料的热粘塑性性质、摩擦效应等将使信号振荡幅度偏小;多次撞击对信号的加载与卸载段都将产生影响,但当传感器表面未发生明显损伤时,测试的应力平台平均值与真实信号近似相同。     

基于数值模拟的SHPB实验数据处理方法（英文）北大核心CSCD

在分离式霍普金森压杆(SHPB)实验中,可以精确测得加载试件边界上的应力和速度。然而,基于这些测量结果得到一条精确的应力应变曲线有一定难度。根据SHPB实验技术的原理,有3组公式可以处理实验数据,并且3组公式都对波头的选择敏感。由于波动效应的影响以及选择波头的误差,3种方法得到的应力-应变曲线缺乏一致性。为了解决正确对齐波头的问题,编写了三波耦合法的数据处理程序。该方法基于动量守恒,可以得到更可靠的应力-应变曲线。为了证明该方法的正确性,进行SHPB的数值模拟实验。结果显示,利用这种方法可以得到唯一的应力-应变曲线。这种方法可以避免对齐波头时的误差,而传统的两波法或三波法则不能。     

基于数值模拟的SHPB实验数据处理方法（英文）

在分离式霍普金森压杆(SHPB)实验中,可以精确测得加载试件边界上的应力和速度。然而,基于这些测量结果得到一条精确的应力应变曲线有一定难度。根据SHPB实验技术的原理,有3组公式可以处理实验数据,并且3组公式都对波头的选择敏感。由于波动效应的影响以及选择波头的误差,3种方法得到的应力-应变曲线缺乏一致性。为了解决正确对齐波头的问题,编写了三波耦合法的数据处理程序。该方法基于动量守恒,可以得到更可靠的应力-应变曲线。为了证明该方法的正确性,进行SHPB的数值模拟实验。结果显示,利用这种方法可以得到唯一的应力-应变曲线。这种方法可以避免对齐波头时的误差,而传统的两波法或三波法则不能。     

铝粒径及成型压强对Al/PTFE冲击反应的影响

采用模压烧结法制备了不同成型压强下铝粉粒径分别为10、30和200μm的Al/PTFE试件,基于分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置进行冲击引发试验,试验过程中通过高速摄影装置记录活性材料的反应情况。试验结果表明:随着成型压强增大,试件的冲击反应速度阈值均呈现先增大后减小的趋势。铝粉粒径为10和30μm时,较高成型压强的试件能够于点火延迟时间1000～1100μs处发生反应,使试件冲击反应速度阈值骤降;铝粉粒径为200μm时,活性材料点火延迟时间均在600μs附近。在相同成型压强下,试件的冲击反应速度阈值随铝粉粒径增大而升高。活性材料的冲击点火反应与材料的微观缺陷、应力波在SHPB装置中的传播、应力脉冲幅值以及材料的破坏过程等因素相关。     

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。     

Ta-10W合金压缩力学性能实验研究

利用MTS材料试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置对非退火状态Ta-10W合金进行了准静态和动态压缩实验,给出了材料的静态压缩屈服强度和应变率在700~3 100 s-1范围内的动态压缩应力-应变曲线,并获得了不同应变率下材料的动态屈服强度。通过对实验结果的分析可以发现,非退火状态Ta-10W合金具有较好的韧性,在所进行的实验中试件表面均未出现可见裂纹;试件材料具有较高的静、动态屈服强度,静态屈服强度达到930 MPa,动态屈服强度在1 GPa以上,在所进行的700~3 100 s-1应变率范围内,材料的动态屈服强度随应变率的增加略有提高。     

混凝土材料动态拉伸强度的应变率强化规律

混凝土是重要的工程材料,研究其在动态作用下的力学性能具有极其重要的意义与价值。混凝土材料的动态拉伸强度具有明显的应变率效应,而且在低应变率与高应变率条件下的动态强化因子ψDIF(DIF:Dynamic Increase Factor)与应变率的关系具有明显的区别。参考现有的相关综述文献,收集近二十余年来大量的混凝土动态拉伸试验结果数据,结合理论分析,探讨了在不同应变率阶段混凝土材料拉伸强度动态强化因子的变化规律,以及不同试验手段如直接拉伸、动态劈裂与层裂等对拉伸动态强化因子的影响规律。最后对试验结果进行拟合,得到混凝土材料在不同应变率区间时拉伸强度动态强化因子的预测表达式。研究表明:(1)混凝土材料的动态强化因子ψDIF随着应变率的增加呈递增趋势,ψDIF-lnε·-具有类似的线性关系;(2)混凝土材料的拉伸强度ψDIF值随应变率增加而递增的趋势在3个不同应变率阶段,斜率明显不同,在高应变率时变化趋势最明显;(3)无论是低应变率区间还是高应变率区间,混凝土的动态拉伸强度ψDIF值与试验方式(直接拉伸、动态劈裂、层裂及其他方式)并没有明显的关系。     

应变率和孔隙率对规则多孔钛压缩力学性能的影响

采用普通材料测试机和分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置对孔隙规则排布的多孔钛试样进行准静态及动态单轴压缩实验,研究了应变率和孔隙率对多孔钛材料弹性模量、屈服强度和能量吸收能力的影响。结果表明:在不同应变率下,规则多孔钛应力-应变曲线在特定区域均可近似为双线性模型;孔隙率对弹性模量、屈服强度和能量吸收能力有直接影响,屈服强度和能量吸收能力均与应变率相关,并给出了同时考虑孔隙率和应变率对屈服强度影响的经验公式。     

烧蚀瑞利-泰勒不稳定性线性增长率的预热致稳公式

烧蚀瑞利泰勒(RT)不稳定性增长的准确估计是惯性约束聚变(ICF)的重要研究课题.增大低温电子热传导系数以考虑烧蚀面预热效应时,烧蚀面密度分布得到改善,烧蚀RT不稳定性线性增长率的二维计算值明显降低,与美国利弗莫尔实验室的实验值符合较好.考虑烧蚀面预热效应后,Lindl公式γ=kg/(1+kL)-βkVa与二维计算值有较大偏差.在分析研究发生偏差原因的过程中,发现了预热情况的Atwood数变小致稳现象.在合理近似下,得到了烧蚀RT不稳定性线性增长率的预热致稳公式γ=Akg/(1+AkL)-2kVa.此公式     

混凝土材料动态力学性能实验与数值模拟研究

 利用轻气炮对素混凝土材料进行了3种不同冲击速度下的动态力学性能实验,得到了时间-应力曲线,随后利用软件进行数值模拟,将模拟结果与实验结果进行比较,解释了飞片和靶板破坏过程中波的传播过程。通过分析发现：混凝土材料表现出明显的率相关性、滞后效应和应力波的衰减特征,这些与材料内部损伤的演化密切相关;混凝土材料在压缩波、边侧稀疏效应和左、右自由表面反射拉伸波的共同作用下,最终形成宏观破碎;实验中靶板尺寸设计合理,有效避免了边侧稀疏效应对锰铜压阻计测试信号的影响。