不同温度下劈裂加载JOB-9003炸药的声发射特性

JOB-9003炸药力学性能强烈地依赖于成型工艺、温度、长期库存时间及湿度等环境条件，并呈现出非线性黏弹性，从实验角度深入研究这类材料的力学特性与表征，对于认清其物理规律，建立JOB-9003炸药本构模型，确定材料参数乃至对工程结构进行定量分析具有重要的现实意义。声发射（AE）技术可揭示应力引起的开裂、扩展和变形，对研究中的裂纹初期和微裂纹敏感，具有连续、实时监测等特点，已成为 评价结构的完整性以及分析结构破坏全过程的重要手段。     

PBX炸药粘弹性统计微裂纹本构模型的改进

基于描述PBX炸药本构关系的粘弹性统计微裂纹模型(Visco-SCRAM),通过修正其微裂纹方向矢量的取值范围、初始缺陷尺寸和体量本构关系,得到模型的改进形式。将改进的模型嵌入有限元程序中,开展PBX炸药JO-9159的平板撞击实验数值模拟研究,讨论了微裂纹数密度参数对计算结果的影响。结合实测曲线,对模型改进前、后的计算结果进行对比和分析。结果表明,改进的模型能够更合理地描述低速冲击下PBX炸药的损伤和破坏。     

一种高聚物粘结炸药和B炸药的本构关系研究

 利用万能材料试验机对一种高聚物粘结炸药（简称PBX炸药）和压装B炸药进行了准静态压缩实验,得到了两种炸药在不同应变率下的应力应变曲线。通过两种炸药在不同应变率下力学性能的研究,建立了两种炸药含应变率效应的本构方程。结果表明,建立的本构方程能较好地描述两种炸药在弹性阶段和强化阶段的力学性能。     

HMX晶体热致相变对损伤的影响

HMX基PBX炸药混合体系中炸药晶体在发生高温熔化和分解反应之前，会率先发生非均匀热膨胀和固相晶型转变，使材料的力学性能和安全性能发生突变。为探究HMX晶体的热致相变对材料内部损伤演化的影响机制，发展了考虑HMX晶体热膨胀和相变等变形机制的热力耦合晶体本构模型，从力学角度揭示了黏结剂包覆HMX晶体相变对体积变形、应力状态以及裂纹成核演化过程的影响机理，量化分析了升温速率对材料相变和裂纹损伤状态的影响规律。结果表明：随着加载温度升高，HMX晶体的热膨胀和β→δ相变导致体积增大，晶体内部形成拉伸应力状态，同时晶体与黏结剂相互挤压形成的局部压剪作用使晶体内部出现裂纹成核和扩展现象。相变温度附近HMX晶体内部裂纹成核和扩展数量显著增加，晶体内部发生不可逆损伤。外界升温速率对晶体内部裂纹形核扩展与损伤造成显著影响，较高的升温速率会加大晶体损伤程度，增加炸药内潜在热点源及意外点火风险。     

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。     

应变率相关的橡胶本构模型研究

为研究橡胶在不同应变率下的响应特性,建立应变率相关的橡胶黏超弹性本构模型,分别采用超弹性本构模型和黏弹性本构模型表征其非线性弹性行为和应变率相关的弹性行为。首先,对于超弹性模型,基于最小二乘法,对比了Mooney-Rivlin模型、修正的Mooney-Rivlin模型、Yeoh模型、修正的Yeoh模型、Ogden模型和Arruda-Boyce模型等超弹性本构模型的拟合能力。结果表明,经修正的Mooney-Rivlin模型和Yeoh模型的拟合优度与Ogden模型和Arruda-Boyce模型接近。在此基础上,基于一种参数较少且拟合效果良好的修正Mooney-Rivlin模型和应变率相关的Maxwell模型,建立了橡胶黏超弹性本构模型,考察了该黏超弹性本构模型在单轴拉伸和单轴压缩情况下中高应变率时的拟合能力。结果表明,对于这两种受力情况下的应变率相关的实验数据,该黏超弹性本构模型的拟合优度均在0.95以上。研究结果为大应变率范围内单轴拉伸和单轴压缩下橡胶的本构模型选择提供了参考。     

PBX炸药动态Brazilian试验及数值模拟研究

 开展了PBX炸药的动态Brazilian试验,获得了不同加载应变率条件下的拉伸强度;通过高速摄影,获得了PBX炸药试样表面裂纹的产生发展过程;采用数字散斑相关方法,获得了试样出现裂纹前的应变场分布。利用离散元方法,开展了考虑PBX炸药细观结构的动态Brazilian数值模拟,获得了损伤演化发展、并形成裂纹的全过程,模拟结果能初步再现PBX炸药的损伤破坏过程。     

战斗部装药冲击损伤及热点形成的数值分析

针对战斗部装药侵彻安定性这一难点问题,通过研究战斗部侵彻过程中内部装药损伤破坏与热点形成的关系,建立了耦合宏观力学变形与微裂纹损伤演化的粘弹性炸药本构关系以及裂纹摩擦生热细观模型。利用建立的数理模型,分析了在侵彻环境下装药内部热点的生成机理,比较不同侵彻环境对热点生成的影响。该战斗部装药侵彻安定性数值模拟方法,可用于战斗部装药的设计及评估。     

硅橡胶拉伸行为的应变率相关性测试和表征

为了研究硅橡胶在不同应变率下的冲击拉伸响应,对硅橡胶板材进行了应变率为0.001 s–1的准静态单向拉伸测试、应变率为15 s–1的中应变率单向拉伸测试以及应变率分别为350 s–1和1400 s–1的高应变率单向拉伸测试。实验结果表明,硅橡胶的单向拉伸力学行为呈现出明显的非线性弹性和应变率相关性特征。在实验结果的基础上,提出了一个可用于描述硅橡胶在不同应变率下拉伸力学响应的宏观唯象黏超弹性本构模型。该模型假设硅橡胶在拉伸加载下的力学响应是超弹性响应和黏弹性响应的组合,其一维流变学形式可以简述为一个超弹性的弹簧和一个松弛时间率相关的Maxwell体的并联。模型拟合结果与实验结果的对比显示,该模型能有效表征硅橡胶在大应变率范围内的非线性拉伸力学行为。     

冲击载荷下钢筋混凝土力学行为的研究北大核心CSCD

基于钢筋混凝土梁受落锤冲击实验结果,提出了损伤型动态本构模型。该模型以混凝土黏弹性本构特性为基础,为了考虑钢筋的作用以及梁的损伤特性,将钢筋增强因子和损伤变量引入理论模型中,最终得出了以应变、应变率、损伤变量和配筋率为控制变量的钢筋混凝土本构模型。将该动态模型运用于非弹性弯曲梁理论分析中,通过数值求解得出了梁跨中挠度时程曲线,与实验结果相吻合。     

冲击载荷下钢筋混凝土力学行为的研究

基于钢筋混凝土梁受落锤冲击实验结果,提出了损伤型动态本构模型。该模型以混凝土黏弹性本构特性为基础,为了考虑钢筋的作用以及梁的损伤特性,将钢筋增强因子和损伤变量引入理论模型中,最终得出了以应变、应变率、损伤变量和配筋率为控制变量的钢筋混凝土本构模型。将该动态模型运用于非弹性弯曲梁理论分析中,通过数值求解得出了梁跨中挠度时程曲线,与实验结果相吻合。     

PBX材料宏细观断裂行为的数字散斑相关法实验研究

 采用半圆盘弯曲实验和数字散斑相关方法,对高聚物粘结炸药（PBX）的宏、细观断裂行为进行了实验研究。宏观上,带有预制裂纹的半圆盘试样发生拉伸破坏,利用数字散斑相关技术得到了试样的应变场和位移矢量场分布,定量分析了试样全场的变形特征,并测得了PBX材料的平面应变断裂韧性;细观上,用配有加载装置的扫描电子显微镜对含预制裂纹的半圆盘试样间接拉伸下的损伤演化和破坏过程进行了实时原位观察,借助于数字散斑相关方法,定量分析了试样损伤局部化特征。结果表明,将数字散斑相关方法用于研究PBX材料宏、细观尺度上的变形破坏问题是有效的。     

正交各向异性材料的三维动态本构模型及其在脉冲X射线热击波模拟中的应用

基于三维应变条件下的应力-应变关系,利用Grüneisen物态方程、PUFF物态方程以及Tsai-Hill屈服准则和Johnson-Cook强度模型,建立了正交各向异性复合材料的三维动态本构模型。在此基础上,对一种碳酚醛材料在高能脉冲X射线辐照下所产生的热击波传播现象进行了三维模拟,得到了热击波模拟结果,并将各向异性本构模型与各向同性本构模型的模拟结果进行对比。分析表明,各向异性本构模型不仅反映了固体材料各向异性的特点,而且还能描述材料转变为气体后的动力学行为。模型的建立为各向异性复合材料在脉冲辐照环境下的应用打下重要的理论基础。     

高温、高压、高应变速率动态过程晶体塑性有限元理论模型及其应用

对于高温、高压、高应变速率加载条件下的材料冲击变形行为,动态晶体塑性模型能够直接反映晶体中塑性滑移的各向异性及其对温度、压力和微观组织结构的依赖性,因而广泛应用于材料的动态冲击力学响应、微观结构演化以及动态损伤破坏的模拟。本文综述了高压冲击下动态晶体塑性有限元的理论模型,主要包括变形运动学、包含状态方程的超弹性本构模型和晶体塑性本构模型,涉及位错滑移、相变、孪生等塑性变形机制,以及层裂、绝热剪切带等动态破坏方式。     

<100> LiF高速冲击变形过程的晶体塑性有限元模拟

结合状态方程建立晶体塑性有限元模型,模拟高速冲击加载条件下100 LiF的动态弹塑性大变形行为,得到应力波剖面特征、动态力学演化规律及其连续介质力学根源。结果表明:毫米级样品经约15 GPa以内的低压冲击,波剖面具有弹塑性双波响应、弹性前驱衰减和应力松弛现象,其决定性因素包括样品厚度、外加压力和材料本构;从连续介质力学角度分析得到,应力松弛本质上是由于黏性塑性流动,导致总应变增速小于塑性应变增速,从而使弹性应变减小、压力降低;提出用压力关于时间的三阶导数大于零作为判断条件,对应力波剖面上双波和单波响应的临界压力进行估测,发现随着样品掺杂浓度的增加,临界压力增大;高速冲击变形的温升效应不可忽略,且温升绝大部分来自弹性体积变形的贡献。     

软物质中的理性连续介质力学基础

本文介绍了理性连续介质力学在软物质研究中的意义与特点,简要回顾了软物质的理性连续介质力学背景与发展,重点介绍了关于软物质主要力学模型的本构关系:熵弹性、超弹性本构关系、黏弹性本构关系、多孔弹性介质本构关系、非牛顿流体本构关系,以及近年来这些模型在生物体系如细胞、肌肉、血管、脑组织,非生物体系如移动接触线、复合软材料,以及3D/4D打印等体系中的应用.在此基础上,结合近几年国内外软物质力学研究进展与应用需求,提出了学科关键科学问题和前沿问题,指出了软物质理性连续介质力学在软物质-硬物质界面相互作用力学,发展活性软材料多场耦合的弹性理论模型,加强与其他相关学科的联系等方面的发展方向.     

简单拉伸下高聚物粘结炸药的损伤测量及损伤演化研究

 在简单拉伸载荷下高聚物粘结炸药呈现出非线性力学行为,这种非线性特性是由于材料内部损伤的演化和发展所致。采用弹性模量下降法测量了高聚物粘结炸药的损伤变量,据此建立了这类材料的损伤演化方程和本构关系,理论结果与实验结果吻合,并进一步讨论了高聚物粘结炸药的损伤度量方法和损伤特性。     

压缩加载下三种含能材料细观破坏特征观察

 通过扫描电镜,对三种含能材料在不同应变率压缩条件下回收的试样断面进行了细观观察,得到了三种含能材料的细观破坏特征,并对其破坏机理进行了分析。同时结合高聚物粘结炸药（PBX炸药）和压装B炸药组分的比较,分析了两种炸药在高应变率条件下的不同破坏模式。     

极低温下Nb3Sn超导体单晶裂纹动态扩展模拟

研究Nb₃Sn超导体的损伤断裂行为对于揭示超导临界性能弱化背后的力学机制具有重要的意义。采用分子动力学模拟方法,研究了极低温下不含裂纹和含中心裂纹的Nb₃Sn单晶在力学拉伸变形作用下的断裂机制和裂纹扩展行为,同时分析了应变率效应对Nb₃Sn单晶断裂机制与裂纹扩展行为的影响。结果表明：不含裂纹的Nb₃Sn单晶在结构受力后出现滑移,滑移带上位错塞积导致应力集中,应力集中使原子键断裂从而萌生裂纹致使Nb₃Sn单晶断裂;而含中心裂纹的Nb₃Sn单晶则由于裂纹尖端应力集中使得原子键断裂形成微裂纹,裂纹扩展致使Nb₃Sn单晶断裂。Nb₃Sn单晶在不同的应变率下表现出不同的断裂机制,在低应变率下表现为脆性断裂,而在高应变率下表现为韧性断裂。     

初始应力状态对材料层裂破坏特性影响研究

含损伤的本构一直是损伤力学研究的重要内容,其研究核心在于如何把损伤变量引入本构方程中。一维平面应变下的层裂实验是获得高应变率下（大于10^4S^-1）含损伤本构的重要手段,其思路在于通过调节损伤度函数中的临界损伤度等参数,使得样品后自由面速度曲线的计算结果与实验结果基本一致,从而反推出材料的基本损伤参数,再以应变等价原理为基础,采用这些参数去计算更为复杂的损伤形式（如圆管膨胀断裂）。本课题通过对样品施加径向预应力,构造不同于一维平面应变的应力环境,考察它对层裂强度的影响程度,并探讨损伤参数的可移植性问题。