一种用于材料高应变率剪切性能测试的新型加载技术

高应变率下的冲击剪切实验技术是材料动态力学行为及其微观机理研究的重要基础.采用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar)装置一般可以获得材料在104s-1以内应变率的动态力学性能.在超过104s-1的应变率下对材料进行冲击剪切测试时,通常需要采用高速压剪飞片技术或由气炮发射子弹对试样进行直接加载.本文提出一种可用于传统霍普金森压杆技术的新型双剪切试样,可以在103~105s-1剪应变率范围实现对材料剪切性能的精确测量;同时,可以对材料的变形及失效过程进行直接观测.试样与压杆之间避免了复杂的界面或连接装置,通过转接头可以保证试样与压杆直接接触,提高测试精度,同时可以防止因试样的横向位移而导致的非均匀变形.获得了紫铜在1400~75000s-1应变率下的剪应力-剪应变曲线,并采用计算软件"ABAQUS/Explicit"对双剪切试样的动态加载过程进行了数值模拟和结果验证.分析表明,剪切区的主要区域内剪切成分占主导地位,其应力应变场沿厚度及宽度方向基本呈均匀分布.实验得到的剪应力-剪应变曲线与模拟结果吻合较好,说明所提出的基于分离式霍普金森压杆系统的双剪切试样可以为材料的高应变率力学性能测试提供一种方便有效的加载技术.      

压缩-剪切复合应力下PMMA材料的静态力学特性研究

通过压缩具有一定倾斜角(0°,10°,15°,20°和25°)试件和双剪切模型试件,实现了单轴压缩、压缩-剪切复合应力以及纯剪切三种应力状态,得到PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)在相应应力状态下的应力-应变曲线,同时对不同应力状态下试件的破坏模式进行了分析。结果表明:在不同受力环境中材料的强度和破坏的机理不同;同单轴压缩状态下相比,材料在压缩-剪切复合应力状态下屈服极限、强度极限以及破坏应变均不同程度的增大,呈现明显的"剪切增强"现象。单轴压缩与压缩-剪切应力状态下试件的破坏模式均为在试件短对角面上出现明显的剪切屈服带,由应力分析得出试件剪应力在短对角面上达到最大,引起在此平面上分子链间滑动从而产生应变软化形成剪切屈服带;双剪切试件的破坏模式为与剪切面呈45°的斜面。     

平纹编织陶瓷基复合材料面内剪切细观损伤行为研究

采用约西佩斯库(Iosipescu)纯剪切试件,研究了平纹编织SiC/SiC和C/SiC复合材料的面内剪切应力-应变行为和细观损伤特性.通过试验获得了材料不同方向上的单调和迟滞应力-应变行为,对比分析了两种材料的剪切损伤特性,结果表明材料的剪切损伤演化规律受热残余应力水平影响严重.由试件断口电镜扫描结果发现剪切加载状态下桥连纤维承受显著的弯曲载荷和变形,据此提出了纤维弯曲承载机制,并结合裂纹闭合效应分阶段阐释了材料的剪切迟滞环形状.基于材料的剪切细观损伤机制,通过两个损伤变量表征了材料的剪切损伤演化进程,得到了材料的面内剪切细观损伤演化模型.对比发现2D-C/SiC复合材料45°方向基体裂纹的起裂应力明显小于2D-SiC/SiC复合材料,而两者0°/90°方向裂纹的起裂应力基本相同.      

基于图像相关分析的狗骨式钢框架子结构试验节点区变形场测量

为研究狗骨式钢框架子结构节点区域在循环荷载作用下的损伤演化规律,采用图像相关技术对3榀、3层、单跨1/3缩尺的狗骨式钢框架子结构底层节点区域的应变场及变形进行了监测,重点分析了不同循环加载方式作用下狗骨式节点区域的应变场、节点域剪切变形的历程,并与传统测试方法所记录结果进行了对比。研究结果表明,加载方式对狗骨式钢框架子结构节点区域的变形、应变及其损伤程度均有显著影响;图像相关技术可获得节点区域的变形及应变场,较传统测试方法更具优势;测点峰值应变及变形同传统方法测试结果吻合良好。     

拉扭复合加载下循环应力应变关系的研究

以拉扭簿壁管试件为研究对象,根据多轴临界面上的应力应变特性及多轴疲劳临界面法的结果,结合单轴循环应力应变关系,研究了多轴比例与非比例加载下的循环应力应变关系,推导出多应力应变关系模型,经拉扭复合比例与非比例物载试验难证,其预测结果与实测值相符合。     

Ti-6Al-4V在高应变率下的动态剪切特性及失效机理

采用基于霍普金森压杆的新型加载技术对Ti-6Al-4V材料的动态剪切特性及失效机理进行了测试研究。获得了Ti-6Al-4V材料在超过104 s-1应变率下的剪应力-剪应变曲线及失效参数。研究发现,材料的流动应力存在明显的应变率强化效应;随着应变率的增加,材料的失效应力逐渐增大,而失效应变逐渐减小。采用ABAQUS/Explicit对加载过程进行了数值模拟。结果显示,剪切区材料基本处于平面剪切状态,应力应变场分布较为均匀,计算得到的剪应力-剪应变曲线与实验结果吻合较好。经断口分析可知,随着应变率的升高,Ti-6Al-4V的失效机理存在由韧窝、拉伸韧窝至台阶及河流花样的演化过程,材料的失效模式主要表现为韧性断裂。     

激光金属沉积GH4169在不同应变率下的剪切特性及破坏机理研究

为了能在传统的分离式Hopkinson压杆上准确可靠地测试激光金属沉积GH4169的动态剪切特性，基于数值模拟方法对比分析了三种不同动态剪切试样形式及尺寸对剪切区应力分布的影响，结果表明:经过尺寸优化后的双剪切试样的剪切区剪应力占主导地位，可实现近似纯剪切的动态剪切实验。利用此试样形式，系统测试了不同取向（扫描方向、沉积方向）的LMD GH4169试样在不同应变率下的剪切应力应变曲线，并对破坏后试样进行了SEM分析观察。结果表明:(1) 本文中选用的试样形式剪切纯度高，应力沿剪切区宽度厚度分布均匀，可以更好地得到材料的动态剪切特性；(2) 对实验所得剪应力-剪应变曲线进行分析，发现本材料在扫描路径方向和沉积方向并没有表现出明显的各向异性，但随着应变率的增加，具有明显的应变率强化效应；将单轴压缩和动态剪切应力应变曲线同时转换为等效应力应变曲线，对比证实了试样形式能很好反应材料的剪切特性；(3) 通过对LMD GH4169剪切变形破坏试样的微观分析发现，随着应变率升高，断口韧窝尺寸和深度减小，韧性降低，在更小的变形量下容易剪切失效。初始微观缺陷容易导致材料的动态剪切破坏。     

PVDF涂层建筑膜材单元结构力学性能的试验研究

使用PVDF涂层建筑膜材制成的结构,在承受外载荷情况下,力学行为非常复杂。在本文中,重点研究其单元结构在承受外载荷情况下的力学性能。首先,对PVDF涂层建筑膜材进行拉伸试验,测定其在常温和低温环境下膜的拉伸力学性能参数。然后,以制成的三角框架结构膜单元为对象,在常温条件下,从有限元分析和实际加载试验两方面计算得出结构单元在均布载荷下的位移、应变和应力分布。最后,对其进行强度验证,得出采用膜单元构建大型建筑是安全的结论。试验方法和结果可以应用于膜建筑结构的设计。     

直撞式霍普金森压杆二次加载技术

利用传统分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）实验技术来实现试件在较低应变率下的大变形时，需要使用超长的压杆系统，杆件的加工和实验空间限制了该技术的推广应用。鉴于此，提出一种直撞式霍普金森压杆二次加载实验技术，利用透射杆中的应力波在其末端的准刚性壁反射实现对试件的二次加载，并分析了准刚性质量块尺寸对二次加载的影响规律；采用二点波分离方法对叠加的应力波进行了有效分离和计算，在总长4 m的压杆系统中实现了1.2 ms的长历时加载，并可以准确获得试件的加载应变率曲线和应力应变关系。建立了直撞式霍普金森压杆二次加载有限元模型，数值仿真结果表明，该实验技术能有效地实现试件的二次加载，与超长SHPB系统获得的仿真结果相比较，两者的试件应力应变关系完全一致。利用该技术对1100铝合金材料进行动态压缩实验，实现了其在102 s?1量级应变率下的大变形动态力学性能测试。     

碳/碳复合材料T型悬臂梁弯曲失效分析

首次对碳/碳复合材料T型结构件进行了悬臂梁弯曲试验。通过化学气相沉积工艺制备了宽度为40mm的T40试件和宽度为50mm的T50试件,分别对两种试件的损伤失效模式和弯曲应力进行了研究;根据结构破坏区域的应变随载荷增加的变化规律,得到了结构在弯曲过程中的损伤失效进程。结果发现,在悬臂梁弯曲载荷作用下,结构处于正应力和剪应力耦合状态,耦合应力会使宽厚比较小的结构件容易在腹板根部出现局部失稳现象。应用横力弯曲理论对结构破坏截面上腹板边缘的正应力和面内剪切应力进行了简单计算。结果表明:屈曲失效的T50试件比剪切型破坏的T40试件的最大弯曲正应力小22.93%,说明屈曲失效会使结构的弯曲强度大幅下降;而T50试件的最大剪切应力比T40试件的高31.46%,说明屈曲失效主要由材料的剪切性能控制。最后通过有限元方法对T50试件在发生剪切型破坏时的最大弯曲正应力进行了计算,计算结果与试验中发生压缩剪切破坏的T40试件相比仅相差3%,可以较好地表征T50试件的弯曲强度。     

不同加载状态下TA2钛合金绝热剪切破坏响应特性

一般认为绝热剪切现象在宏观上表现为材料动态本构失稳,即热软化大于应变硬化.本文采用帽型受迫剪切试样研究TA2钛合金的动态力学特性和本构失稳过程.首先对剪切区加载应力状态进行理论和数值分析,通过合理设计帽型试样,剪切区变形可近似按剪切状态处理;结合二维数字图像相关法(two-dimensional digital image correlation,DIC-2D)直接测试试样剪切区应变演化,给出帽型受迫剪切实验的等效应力-应变响应曲线.进一步,利用Hopkinson压杆对TA2钛合金开展动态压缩及帽型剪切对比试验研究,比较压缩、剪切试验得到的等效应力-应变曲线,采用"冻结"试样方法分析试样中绝热剪切局域化演化过程,探讨不同加载状态下TA2钛合金的绝热剪切破坏现象及其动态力学响应特性.实验结果表明,在塑性变形初始阶段,动态压缩及剪切加载下的等效应力-应变曲线符合较好,但随塑性损伤发展及绝热剪切带形成,两者出现分离,表明损伤及绝热剪切演化过程与应力状态相关.剪切试样实验得到的本构"软化"特性能够反映绝热剪切带起始、破坏演化过程的力学响应特性,而在动态压缩实验中,即使试样中已出现双锥形的绝热剪切带及局部裂纹分布,其表观等效应力-应变曲线并不出现软化特征,动态压缩实验无法得到关于绝热剪切起始、发展以及破坏的本构软化响应特性.     

π平面上原状土的空心扭剪试验

为了通过空心扭剪试验获得原状土在π 平面上的屈服特性，在分析空心扭剪试验仪加载过程和加载特点的基础上，研究了空心圆柱试样可实现的应力状态，并设计了相应的加载路径．与重塑试样不同，原状土样的初始应力状态位于K0 固结线上而不是等倾线上，因此，其加载路径应从原点开始沿K0 固结线行至原始应力状态，然后再在π 平面上进行以初始应力为起点的等p 试验．在考虑原状土的初始应力状态和各项异性的基础上，针对具有不同主应力方向角的平行试样，给出了等p 条件下保持主应力方向角不变的加载路径实现方法，采用该方法可得到任意平均主应力时π 平面上六分之一范围内的屈服曲线，该范围对应于大主应力方向角从-45o~45o．本文设计的加载方案可完成真三轴试验的部分功能，但经济成本相对较低，操作方法简单易行．     

循环剪切荷载作用下软土的力学性状研究

利用从现场取得的原状土样,通过室内动三轴试验对循环荷载作用下的变形、孔压和强度特性进行研究。试验研究主要考虑了周围固结压力、循环剪切应力比、荷载频率和循环次数等因素的影响。研究表明,在循环荷载作用下,孔隙水压力和轴向应变均是一个波动上升的过程。当循环应力比增大时,动孔隙水压力变化幅值显著增加,而残余孔压也较大。同时,孔隙水压力值也随着周围压力的增大而明显增大。当作用荷载频率比较大时,需要更多的循环次数才能达到小频率作用荷载能达到的孔隙水压力值。但是,随着循环荷载作用次数的增加,频率对孔隙水压力的影响有减小的趋势。     

钢筋混凝土箱梁非线性及剪滞效应的试验研究

制作了钢筋混凝土简支箱梁模型,试验包括模型梁开裂范围内的加载及开裂后的加载。在开裂范围内,对该试验梁分别进行了顶板满布均布荷载、均布荷载作用于肋板上方、集中力作用于跨中以及对称集中力作用下的加载;对开裂后的试验梁,进行了对称集中力作用下的加载。用应变采集仪与电脑连接,并用半桥测量,温度自补偿方法测取应变值,采用百分表测试梁体挠度,采用读数显微镜观测裂缝。测量得到应力、应变的分布规律,验证了钢筋混凝土箱梁中存在剪滞效应。试验结果与考虑混凝土非线性的有限段法的计算结果吻合较好,验证了有限段法在混凝土箱梁剪滞效应分析中的适用性。     

DESIGN AND APPLICATIONS OF PIEZOELECTRIC CRYSTALS TRANSDUCER IN DYNAMIC EXPERIMENTS

各种压电器件广泛用于电子工业、信息传输、医学诊断等许多领域,以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能. 特别地,压电晶体以其高频响的压电效应,在动载实验中用于动态应力的测试. 利用其特有的各向异性特性,通过设计特殊的切型方向,可以实现对不同应力的测试. 本文通过分析各向异性晶体的特性,从压电效应的基本原理出发,导出了利用各向异性晶体作为剪应力量计的设计思想,并给出了两种典型的动态剪应力计:17.705°Y 切石英和165.44°Y 切铌酸锂晶体.     

Nonlinear shear behavior and interlaminar shear strength of unidirectional polymer matrix composites: A numerical study

Detailed finite element implementation is presented for a recently developed technique (He et al., 2012) to characterize nonlinear shear stress–strain response and interlaminar shear strength based on short-beam shear test of unidirectional polymeric composites. The material characterization couples iterative three-dimensional finite element modeling for stress calculation with digital image correlation for strain evaluation. Extensive numerical experiments were conducted to examine the dependence of the measured shear behavior on specimen and test configurations. The numerical results demonstrate that consistent results can be achieved for specimens with various span-to-thickness ratios, supporting the accurate material properties for the carbon/epoxy composite under study.     

超声纯横波法测试45#钢的内部应力

声各向同性的金属材料在应力作用下,材料表现出声各向异性,这是用声弹性法分析材料内部应力的基础。本文用垂直于应力方向传播的超声纯横波对45#钢进行测试,测试时横波的偏振化方向分别平行和垂直于应力方向。实验结果表明:材料在拉、压应力作用下,相互正交的两超声纯横波的声速都发生了变化,且声各向异性因子与应力成线性关系。利用此关系可测试材料内部应力,提供了一种无损测试材料内部应力的方法,另外本实验方法也可以对材料内部残余应力进行评估。实验中利用回振法测量声速,可测量声速的微小变化,精度高。