脆性材料动态强度应变率效应

通过求解波动方程,结合有限结构-时间破坏准则,得到了动态载荷下脆性材料单轴拉伸强度应变 率效应的解析表达式。分析结果表明:材料动态强度的应变率效应具有明显的结构响应特征,即材料动态强 度除与应变率和静态参数相关外,还显著地依赖于外载荷结构及其与材料间的相互作用,因而动态强度不是 表征材料动态破坏的内禀材料性质;此外,由于在不同的外载荷条件下材料将表现出不同的动态强度,这是导 致实验结果离散性大的内在因素。     

复合功能布的动态力学性能及本构关系

针对复合功能布的物理特性,利用材料试验机和分离式Hopkinson压杆装置,展开了准静态和动态条件下单层和双层复合功能布材料的单轴抗压实验,获得了两种材料在不同应变率下的应力应变曲线和材料的失效应力、应变.实验结果表明:复合功能布的动态失效强度明显高于准静态失效强度,而且随着应变率的增加其动态失效强度呈现增加的趋势,即该材料具有明显的应变率硬化效应.对应力应变曲线进行拟合,给出了材料的动静态粘弹性本构关系.并对复合功能布在不同应变率下的失效应变及材料的损伤结果进行了初步的分析.     

冻土单轴动态加载下的力学性能

研究冻土的动态力学性能对于地下工程人工冻结法施工等具有重要意义。本文应用分离式霍普金森压杆(SHPB),研究了冻土单轴动态加载下的力学性能,涉及-3、-8、-13、-17、-23和-28℃共6个负温的冻土,应变率范围350～1200s-1。获得了相应条件下的冻土应力应变关系。冻土的单轴动态应力应变曲线具有脆性特征。发现冻土具有温度和应变率效应,其强度随温度降低和应变率增大而增大,最终应变随应变率增大而增大。冻土温度越低,应变率敏感性越强;加载应变率越高,冻土的温度效应越显著。文中提出的粘弹性损伤型本构模型能够较好的描述6个温度冻土的应力应变关系。     

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。     

混凝土类材料动态压缩强度在多维应力状态下的应变率效应

对混凝土类材料动态压缩应变率效应研究的发展及问题进行了概述,对比不同应力状态下混凝土类材料动态压缩应变率效应的表现特征,揭示了不同加载路径下实测动态强度提高系数的显著差异。研究表明,在高应变率下,基于初始一维应力加载路径的试件将因横向惯性效应导致的侧向围压而演化至多维应力状态,传统霍普金森杆技术无法获得高应变率下基于真实一维应力路径的动态强度提高系数,在强度模型中直接应用实测数据将过高估计材料的动态强度。鉴于应变率效应的加载路径依赖性,将仅包含应变率的强度提高系数模型扩展至同时计及应变率和应力状态的多维应力状态模型,并结合Drucker-Prager准则在强度模型中给予了实现。针对具有自由和约束边界试件开展的数值霍普金森杆实验表明,多维应力状态下的应变率效应模型可以考虑应变率效应随应力状态改变的特点,从而准确预测该类材料的动态压缩强度。研究结果可为正确应用霍普金森杆技术确定脆性材料的动态压缩强度提供参考。     

飞机风挡无机玻璃在不同应变率下的力学行为

利用电子万能试验机和改进的分离式Hopkinson压杆测试了飞机风挡无机玻璃在2种准静态应变率(4×10-4、4×10-3 s-1)和2种动态应变率(200、400 s-1)下的单轴压缩力学行为，并利用高速摄像机记录试样破坏过程。实验结果表明:玻璃破坏时表现为典型的脆性材料，随着应变率的提高，材料的压缩强度显著提高。通过观察试样变形过程及变形后的形貌可知，玻璃在压缩载荷下的破坏模式为横向张应力引起的裂纹成核、沿轴向扩展与联结交错导致的失效破坏，并从微裂纹成核扩展和能量耗散的角度对材料的应变率效应做出了合理的解释。     

冲击载荷下脆性空心颗粒破碎机理

为考察脆性空心颗粒在冲击载荷作用下的应变率效应和破碎行为的细观机理,以粉煤灰漂珠为研究对象,基于低速冲击实验和有限元数值模拟,对比了典型空心颗粒材料在不同加载速率下的力学响应特性和细观压溃行为,阐释了材料宏观应变率效应产生的细观机理,获得以下结果。（1）在0.001～300 s?1应变率范围,漂珠颗粒的破碎率和Hardin破碎势平均提升了约21%和10%～30%,材料比吸能提升了50%～125%,比吸能的额外增加主要与动态颗粒滑移产生的摩擦耗能相关。颗粒平均尺寸较大的试样体现出更强的应变率效应。（2）初始压溃阶段的应力应变响应特征的数值模拟结果与实验结果较吻合,低速冲击下动态二次压溃现象产生的细观机理为动态颗粒滑移和压紧行为对加载速率的依赖性。(3) 数值模拟表明,冲击加载下产生相同应变时颗粒的损伤程度和范围大于准静态加载,这与实验所得破碎势随应变率增加的结果一致。对比低速冲击实验的相对破碎势分析和细观数值模拟结果可知,脆性颗粒堆积材料在动态冲击下表现出的宏观应变率效应主要归因于颗粒压溃行为的率敏感性和动态加载下颗粒破碎能量利用率的降低。     

宽应变率范围下2A16-T4铝合金动态力学性能

为了研究2A16-T4铝合金的动态力学性能，利用电子万能试验机、高速液压伺服试验机及霍普金森压杆(SHPB)装置进行常温下准静态、中应变率和高应变率的动态力学性能实验，得到不同应变率下的应力应变曲线，基于修正的Johnson-Cook本构模型对它进行拟合，并分析材料中应变率力学特性对模型应变率敏感参量的影响。结果表明:2A16-T4铝合金在应变率10-4~102 s-1范围内应变率敏感性较弱，而在102~103 s-1范围内应变率敏感性较强，且应变率强化效应随塑性应变的增大而减小；同时，在10-4~103 s-1范围内具有较强的应变硬化效应，且应变硬化效应随应变率的增大而减小；此外，修正Johnson-Cook本构模型的拟合结果与实验结果吻合很好，能够很好表征材料的动态力学行为，且考虑材料中应变率力学特性可提高本构模型参量的准确性。     

双层多功能布的动静态力学性能及本构关系

针对双层多功能布的物理特性,利用材料试验机和分离式Hopkinson压杆装置,展开了准静态和动态条件下材料的单轴抗压实验,获得了材料在不同应变率下的应力应变曲线和材料的失效应力、应变。实验结果表明：双层多功能布的动态失效强度明显高于准静态失效强度,而且随着应变率的增加,其动态失效强度呈现增加的趋势,即该材料具有明显的应变率硬化效应。对应力应变曲线进行拟合,给出了材料的动静态粘弹性本构关系。并对双层多功能布在不同应变率下的失效应变及材料的损伤结果进行了初步的分析。     

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.     

冻融循环冻土的冲击动态力学性能

以典型冻土为研究对象,通过不同冻融循环次数的冻融循环实验、不同温度的冻结实验以及不同应变率的冲击动态实验,综合研究了冻融循环冻土的冲击动态力学性能。结果表明,冻土存在冻融循环效应,随着冻融循环次数的增加,冻土的峰值应力有一定程度的降低,但在达到临界冻融循环次数后,峰值应力将维持稳定;同时,冻土表现出明显的应变率效应和温度效应,其峰值应力随应变率的增加或温度的降低而增加。通过定义冻融损伤因子,推导满足Weibull分布的冲击损伤,提出了一个基于Z-W-T方程的损伤黏弹性本构模型。该模型可较好地描述冻融循环后冻土的冲击动态力学行为,为研究季节性冻土区冻土的冲击动态破坏提供参考。     

考虑围压效应的冻结砂土动态本构模型研究

为描述主动围压作用下冻结砂土的动态力学特性，通过在朱-王-唐模型的非线性体上串联塑性体，建立了能够考虑围压效应的冻结砂土动态损伤本构模型；分析了损伤参数对应力-应变曲线特征、屈服点、峰值应力和峰值应变的影响规律，基于冻结砂土动力学试验数据确定了模型参数；通过将模型和试验数据进行对比，并对不同试验条件下模型的预测误差进行分析，验证了模型的适用性和准确性。结果表明，损伤参数对应力-应变曲线弹性阶段和屈服点无明显影响，而对塑性阶段和破坏阶段的影响较为显著，本构模型预测的应力-应变曲线与试验结果具有较好的一致性。模型能够预测围压引起冻结砂土塑性阶段占比大和屈服点明显的特征，且能够描述围压对冻结砂土动态强度的增强效应；不同负温和主动围压条件下，模型对峰值应力和屈服强度的预测效果优于峰值应变和屈服应变。     

UNIAXIAL COMPRESSION TEST AND DAMAGE CONSTITUTIVE MODEL FOR ANALYSIS OF FROZEN CLAY 1)

从冻土微元破坏服从Weibull随机分布的特点出发,将Mohr--Coulomb强度准则作为冻土微元统计分布变量,利用应变等价性假说,建立了单轴应力状态下冻结黏土损伤本构模型;在此基础上,讨论了模型参数和弹性模量与冻结温度的关系,对模型参数和弹性模量进行合理修正,建立了温度影响下的冻结黏土损伤本构模型,并与试验结果进行对比。分析结果表明：考虑温度效应的损伤本构模型能很好地模拟冻结黏土应力--应变全过程曲线,具有很好的适应性。     

A Dynamic Micromechanical Constitutive Model for Frozen Soil under Impact Loading

By taking the frozen soil as a particle-reinforced composite material which consists of clay soil(i.e., the matrix) and ice particles, a micromechanical constitutive model is established to describe the dynamic compressive deformation of frozen soil. The proposed model is constructed by referring to the debonding damage theory of composite materials, and addresses the effects of strain rate and temperature on the dynamic compressive deformation of frozen soil. The proposed model is verified through comparison of the predictions with the corresponding dynamic experimental data of frozen soil obtained from the split Hopkinson pressure bar(SHPB) tests at different high strain rates and temperatures. It is shown that the predictions agree well with the experimental results.     

PP/PA共混高聚物在高应变率下的热粘弹性本构关系和时温等效性

采用Instron1342电液伺服试验机和改进的SHPB技术对以113材料为例的PP/PA共混高聚物进行了应变率在10-4~103 s-1宽广范围,温度为25、40、60、80 ℃下的一维应力力学性能试验。结果表明,这类共混高聚物的力学响应对温度和应变率都是敏感的。以朱-王-唐非线性粘弹性本构方程来描述这类PP/PA共混高聚物的力学响应,并拟合得到了其热粘弹性本构参数,理论预言与试验结果在应变小于7%时吻合良好。对113材料20~80 ℃温度范围内不同应变率下的试验结果进行分析,证明PP/PA共混高聚物存在率温等效关系,提高温度和增加作用时间（减小应变率）的效果相当,反之,降低温度与减少作用时间（提高应变率）的效果相当。通过引入量纲一参量Z,使应变率d/dt、温度T这2个参量归结为统一的Z参量,从而得到了体现时温等效性的统一曲线。     

含损伤的冻土本构模型及耦合问题数值分析

从复合材料的细观力学机理出发，建立了含损伤的冻土弹性本构模型. 对于在不同冰体积 含量和不同温度下的冻结砂土，由该损伤本构模型计算的结果与实测的应力-应变曲线比较 吻合. 利用自主开发的程序，分别对渠道冻结和冻土路基的水分场、温度场、应力场3场耦 合进行数值模拟，得到了比较准确、详尽的符合实际的温度场与应力场、位移场、应变场耦 合的计算结果，与前人的计算及实测结果相符合，规律一致. 表明该程序能够计算冻土材料 的相关物理量，并能很好地描述这些相关物理量之间的关系.     

基于邓肯-张的冻结粉质粘土本构模型试验研究

为研究冻结粉质粘土强度和变形特性,以沈阳地铁DK11+395联络通道处人工冻结粉质粘土为研究对象,通过冻土三轴剪切试验,研究了不同试验条件下冻结粉质粘土的强度和变形特性。试验结果表明：围压、温度和试件初始含水量是影响冻结粉质粘土强度和变形的主要因素。冻结粉质粘土偏应力-应变曲线呈应变硬化型,其破坏强度和切线弹性模量随围压和试件初始含水量的增加而增大,随温度的升高而减小,破坏偏应力比Rf取值在0.79~0.96之间。基于试验数据建立了以上述三因素为影响因子的冻结粉质粘土Duncan-Chang模型。通过回归分析,建立了模型参数a和b与围压、初始含水量和温度之间的线性回归公式。将依据模型计算的偏应力-应变曲线与对比试验曲线相比较,发现两者具有较好的吻合程度,说明建立的模型能够准确反映围压、初始含水量和温度等条件对冻结粉质粘土强度和变形的影响规律。上述研究成果为冻结粉质粘土强度和变形特性的研究提供了参考,为人工冻结法施工提供了指导,具有重要的理论意义和工程应用价值。     

冻结壁稳定性分析的黏弹塑性模型

冻结壁稳定性是由其所承担的外荷载大小和变形量决定的，在考虑冻结壁的卸载过程及其与周围土体共同作用的同时，还考虑了冻结壁的蠕变变形，得出了与周围土体共同作用的冻结壁的黏弹塑性计算模型，并推导出冻结壁黏弹塑性区的应力、变形及其外荷载的解析式；并通过计算，得出的冻结壁位移与实测位移基本一致。     

Experimental analysis of dynamic mechanical properties for artificially frozen clay by the split Hopkinson pressure bar

A device for impact compression experiments is the split Hopkinson pressure bar with a refrigerating attemperator. Data for incident and reflected waves are obtained by the measuring technique with strain gauges, and data for transmitted waves are obtained by the measuring technique with semiconductor gauges. Static compression tests of frozen clay are conducted at an identical temperature and different strain rates of 0.001 and 0.01 sec ⁻¹ . Dynamic stress-strain curves are obtained at strain rates of 360–1470 sec ⁻¹ . The low and high temperatures correspond to high and low strain rates, respectively. It is shown that both the temperature and strain rate affect the frozen soil deformation process. Different dynamic stress-strain curves obtained at the same temperature but different strain rates are found to converge. The test results indicate that frozen soil has both temperature-brittleness and impact-brittleness.