压缩载荷下UHMWPE纤维复合材料层合板的力学性能与失效分析

为获得超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)纤维复合材料层合板在静、动态压缩载荷下的力学性能与失效模式,采用万能材料试验机和分离式霍普金森压杆对材料进行面外方向的压缩实验,获得了不同应变率下材料的应力-应变关系。通过扫描电子显微镜观察材料微观失效形貌,分析了材料的失效模式。结果表明,UHMWPE纤维复合材料层合板在应变率较低(6.7×10^-3～6.7×10^-2 s^-1)且相差较小时,无应变率效应;在高应变率(2.05×10³～5.27×10³ s^-1)下,材料具有明显的应变率效应。压缩强度随应变率的增加而增大,动态增强因子逐渐增大,具有明显的应变率强化效应。静态压缩载荷下,材料的主要破坏模式为纤维的拉伸、断裂;动态压缩载荷下,材料的主要破坏模式为纵向位错分层。     

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。     

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。     

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。     

环氧树脂玻璃钢的动静态拉伸力学特性

为系统地研究环氧树脂玻璃钢在静、动态拉伸载荷作用下的力学性能，采用材料测试系统和分离式霍普金森拉杆对材料进行拉伸试验，获得0.001～0.1 s^-1及1 128～1 840 s^-1应变率下的应力-应变曲线和相应的力学参数。结果表明，动态加载下环氧树脂玻璃钢的应变率增强效应较为明显。为此，引入动态增强因子描述环氧树脂玻璃钢在高应变率下力学性能的增强。采用扫描电镜对损伤断面进行观测，发现动态加载下纤维束平整断裂，而非静态加载下纤维拔出失效。相较于静态加载，动态拉伸载荷作用下玻璃钢的基体-纤维界面断裂韧度更高。基于环氧树脂玻璃钢在动态拉伸下的力学响应，引入宏观损伤累积量，建立一种考虑损伤的非线性拉伸本构模型。拟合结果表明，该模型整体上可以反映环氧树脂玻璃钢在动态拉伸载荷作用下的力学响应。     

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。     

聚氯乙烯弹性体动态拉伸力学性能实验研究

为研究软质高分子聚合物材料的静、动态拉伸力学性能,利用Instron-5943万能材料试验机和改进型分离式霍普金森拉杆(SHTB)实验装置对聚氯乙烯(PVC)弹性体材料进行了静、动态拉伸实验,得到了该材料在应变率为0.1 s~(-1)及400～1 850 s~(-1)下的应力-应变曲线。动态拉伸实验过程中,联合波形图分析和高速摄像方法对试样连接方式和胶黏剂进行了优选,通过脉冲整形器延缓入射波上升沿以实现恒应变率加载,调整入射杆与吸收杆间空隙解决了入射波基线偏离问题。结果表明:PVC弹性体在准静态(0.1 s~(-1))拉伸载荷下具有明显的线弹性特征,在动态(400～1 850 s~(-1))拉伸载荷下具有一定的黏性特征。构建了朱-王-唐(ZWT)非线性黏弹性本构模型以表征PVC弹性体材料的黏弹性力学特征,实验与模型拟合结果较吻合。     

5083铝合金宽应变率实验与基于损伤的本构模型研究

5083铝合金材料在工程领域应用广泛,会受到包括冲击和碰撞等多种不同情况的强动加载,亟需对其宽应变率加载下的力学性能及其本构模型开展研究。首先,对5083铝合金进行了系统的准静态实验及中、高应变率加载下的拉伸和压缩实验,得到了宽应变率加载下的应力-应变曲线。实验结果表明,该材料在同一实验条件下所得到的应力-应变曲线,其强化阶段的拉伸曲线总是低于压缩曲线,并从微观机制上对这一现象进行了合理解释。然后,通过引入损伤,考虑了损伤对该材料拉伸加载情况下的力学性能影响。基于连续介质力学及其实验结果,获得了损伤演化方程。最后,借助改进的Johnson-Cook(JC)本构模型,并基于已确定的损伤演化方程,得到了考虑损伤的5083铝合金本构模型。通过实验曲线与所得模型曲线的对比,吻合良好,表明该模拟具有很好的适用性,能够对该材料的工程应用提供有效的科学依据、分析模型和必要的参考。     

UHMWPE的应变率效应及其对超高速碰撞特性的影响

为分析超高分子量聚乙烯（ultra-high molecular weight polyethylene, UHMWPE）的应变率效应及其对超高速碰撞特性的影响规律,采用万能材料试验机和分离式霍普金森拉杆对UHMWPE纤维束进行静、动态拉伸实验,获得了不同应变率下材料的应力-应变关系,并进一步开展了UHMWPE纤维织物的超高速碰撞数值模拟。结果表明,UHMWPE的拉伸模量和强度均随应变率的升高而逐渐增大。随着材料应变率敏感系数的增大,防护结构对弹丸动能的吸收率呈现先减小后增大的趋势。     

3D打印贝壳仿生复合材料的拉伸力学行为

采用硬质和软质双组分材料,通过调控两种基体材料的装配夹角,采用光固化3D打印技术制备了不同装配方式的仿贝壳珍珠层复合材料,开展了准静态拉伸实验,结合扫描电镜观察,分析了其拉伸力学性能、断裂及能量耗散机理。研究结果表明,保持胞元边长不变,随着面内装配角度增加,仿贝壳珍珠层复合材料的强度呈线性增加趋势,断裂应变呈线性减小的趋势;随着面外装配角度增大,断裂应变呈线性减小趋势,而强度在面外装配角小于45°时呈增强趋势,超过45°时趋于稳定;面外装配角度为45°时,材料的强度达到最大值。试样在断裂前主要通过硬质材料的拔出、软/硬相界面处微裂纹的生成及微裂纹在扩展过程中的合并和偏转等方式耗散能量。     

基于冰颗粒增强的冻土细观动态本构模型

为了直观地描述冻土在冲击加载下的动态力学性能和应力-应变关系,从细观出发,将冻土视为冰颗粒增强的复合材料,建立了基于冰颗粒增强的冻土细观动态本构模型。根据土相在冲击作用下层层破坏的特点,假定冲击层的动模量因冲击损伤而发生变化,在模型中引入了应变率项。利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对冻土进行冲击加载实验,通过改变温度和应变率,获得了冻土在不同实验条件下的动态冲击应力-应变曲线。实验结果表明,冻土具有明显的温度效应和应变率效应。模型计算结果与实验结果符合良好,验证了所建立的动态本构模型的合理性和适用性,具有很强的工程应用价值。     

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。     

简论金属材料JC本构模型的精确性

通过比较JC模型预测结果与6种金属(2024-T351铝合金、 6061-T6铝合金、OFHC无氧铜、4340高强钢、Ti-6Al-4V钛合金和Q235软钢)在不同应变率及温度下的实验数据,对JC本构模型的精确性进行了关键评估。为了进一步评估其精确性,采用JC本构模型和失效准则对平头弹正撞2024-T351铝合金靶板进行数值模拟,并与实验结果比较。结果表明:JC本构模型只适用于中、低应变率和温度下的Mises材料,对非Mises材料该模型预测的剪切应力-应变曲线和失效与实验结果吻合较差;同时,JC本构模型的精度随应变率和温度的提高而降低,特别是在高应变率条件下利用实验得到的动态增强因子进行相应数值模拟时,所得计算结果与弹道穿透实验结果不一致,说明其表达式(即准静态应力-应变关系×动态增强因子)是不恰当的。     

GFRP增强圆钢管在低速冲击荷载作用下的应变率效应

讨论了玻璃纤维/环氧树脂复合材料(Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP)增强Q235圆钢管在低速冲击荷载作用下的应变率效应。通过轴压试验和轴向低速冲击试验获得了试件在准静态和低速冲击状态下的力学响应(轴向荷载及轴向位移),为后续仿真工作提供了依据。编写了可以考虑初始失效、损伤演化及应变率效应的GFRP材料子程序(VUMAT),并基于ABAQUS对构件的轴压及轴向冲击过程进行了仿真再现。通过仿真将不考虑应变率效应、只考虑钢管应变率效应、只考虑GFRP应变率效应、考虑钢管及GFRP应变率效应4种情况下的结果进行了对比分析。     

率温联合条件下混凝土材料压缩强度的变化规律

混凝土材料的动态压缩强度不仅具有明显的应变率强化(硬化)效应,同时还具有明显的温度弱化(软化)效应。在应变率和温度联合条件下,压缩强度随应变率和温度变化过程中不仅存在清晰的应变率拐折点,拐折点前后压缩强度随应变率变化速率明显不同,而且在不同温度下发生拐折时,其拐折点对应的应变率也存在明显差异。参考近年来相关文献中混凝土材料在率温联合条件下的压缩实验数据,结合理论分析,探讨了在不同温度、不同应变率条件下混凝土材料压缩强度联合效应因子K的变化规律;并对实验数据进行拟合,得到了不同应变率、不同温度下K(T)-■的预测表达式,确定了应变率强化和温度弱化对压缩强度的耦合影响;通过分析应变率拐折点与温度的关系,确定了应变率和温度联合条件下应变率敏感区和不敏感区的率温联合条件界限;建立了率温效应相当(K=1)时的率温等效方程,并确定了混凝土材料的率温等效参数。     

实现材料高应变率拉伸加载的爆炸膨胀环技术

一维的高应变率拉伸加载主要有3项实验技术——Hopkinson拉杆、电磁膨胀环和爆炸膨胀环。本课题组对传统的爆炸膨胀环实验技术进行改进,建立爆炸丝线起爆方式的新型爆炸膨胀环实验加载技术,并利用该技术开展了材料的高应变率拉伸实验,获得了较好的实验结果。     

电子辐照聚乙烯/碳纳米管拉伸变形机理

利用X射线散射对纯聚合物材料,包括聚乙烯拉伸行为及变形机理的研究与日俱增.本文选择低密度聚乙烯/多壁碳纳米管(LDPE/2%MWCNTs)复合材料为实验材料,基于同步辐射小角散射的测试平台,对电子辐照的LDPE/MWCNTs复合材料拉伸过程中的X射线小角散射(SAXS)和广角衍射(WAXD)信号进行了原位测试分析,重点分析了低能电子辐照后复合材料拉伸变形过程中微观结构的演化规律.研究结果表明,低能电子辐照会导致复合材料屈服强度显著提高,而断裂延伸率降低;电子辐照可制约LDPE/MWCNTs复合材料基体变形,从而使应变诱发的片晶破碎过程受到抑制,并且较高注量电子辐照可强烈抑制晶体转动和新晶体形成;在拉伸变形过程中,主要强化机理包括辐照引起MWCNTs强化的增强(界面强化)和辐照对LDPE基体产生交联导致的强化效应.     

高温高应变率下ZL101A铝合金的流变应力特征与本构模型

采用分离式霍普金森压杆系统和高温设备对ZL101A铝合金进行了常温和高温下的动态压缩实验,得到了应变率范围为2 900～6 100 s^-1、温度范围为20～600℃的动态压缩应力-应变曲线。实验结果表明：ZL101A铝合金具有应变率硬化效应,并且随着温度的升高,应变率硬化效应减弱;ZL101A铝合金在不同应变率下均存在明显的温度软化效应,且随着温度的升高,塑性变形引起的绝热温升使热软化作用增强。为了得到应变率和温度对材料流变应力的影响,将应变率效应和温度效应进行解耦,得到一种适用于ZL101A铝合金材料的动态本构模型。对比模型预测结果与实验数据发现,建立的本构模型可以很好地描述ZL101A铝合金的流变应力特征。     

高应变率下硅橡胶的本构行为研究

 硅橡胶是一种高分子聚合物，可以承受大变形，用途广泛。利用改进的分离式霍普金森压杆（SHPB）实验技术，对硅橡胶试样进行了不同应变率下的冲击压缩实验，基于实验数据，利用应变能函数构建了考虑应变率效应的材料本构形式。同时，实验过程中发现，在高应变率加载条件下，材料在压缩变形后出现了损伤线区，线区直径与加载应变率及试样尺寸之间存在一定的定量关系。     

高温高应变率下G550冷弯钢的动态力学行为

为研究G550冷弯钢在高温和高应变率下的动态力学性能,采用高温同步控制霍普金森拉杆装置,开展了不同温度下的高应变率拉伸试验,并在高速液压拉伸试验机上进行了室温下的中应变率拉伸试验。通过获得的应力-应变曲线,得到了材料的本构模型,结合微观形貌分析,探究了温度和应变率对流变应力的影响。结果表明：G550冷弯钢具有明显的应变率强化和温度软化效应。在特定的高应变率范围内(1 000～1 500 s^-1),温度对流变应力的影响大于应变率。基于温度软化系数随温度变化的特征,提出了G550冷弯钢的修正Johnson-Cook本构模型。该模型可以较好地描述G550冷弯钢在高温和高应变率下的动态力学行为,从而为G550冷弯钢在高温、爆炸冲击相关的有限元仿真提供参考。