基于超材料的动态压剪复合加载实验新技术

材料或结构在动态压剪复合加载条件下的力学性能对于其工程应用具有重要影响。然而,现有的动态复合加载实验技术存在压缩波和剪切波难以同步施加到试件、实验设备昂贵等问题。本文中利用压扭超材料进行应力波转化,在一维分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）上实现动态压剪同步复合加载。该实验技术具有荷载精准同步、剪压比可控、简单便捷、低成本等优点。针对当压扭超材料转化出来的扭转波幅值较大,透射杆惯性约束不足情况下出现的扭转信号三角波的问题进行详细讨论,并提出相应的解决方案。选用屈服应力各不相同的金属钛、304不锈钢和316L不锈钢等3种材料进行了实验测试,证实了动态压剪同步复合加载技术的有效性。借助有限元模型,深入分析压扭超材料的几何参数对其压扭系数及承载能力的影响,并结合实验结果讨论了该实验技术的适用范围,预测动态压剪同步复合加载技术能测试的材料强度可达约1 GPa,施加给试件的剪压比可达1.18。     

压-剪复合应力波作用下材料动态断裂韧性研究

提出亚微秒单脉冲应力波载荷作用下Ⅱ型裂纹的平板冲击实验技术 .加载率为dK dt～ 10 8MPa·m1 2 ·s-1.实验中由锰铜应力片和弹性波理论分别测定和计算了压应力 ;通过微观分析确定了动态裂纹的平均扩展长度 ;引进等效应力强度因子 ,用动态断裂理论确定了 6 0 #钢的动态断裂韧性KⅠd和KⅡd ;建立了亚微秒冲击载荷作用下确定材料动态断裂韧性的方法     

压剪复合加载下聚丙烯屈服行为的实验研究

为研究聚丙烯在压剪复合加载下的变形行为和屈服规律,设计了一种压剪复合加载的试件(Shear-Compression Specimen,SCS),分析其构型参数对变形行为的影响,并分别对倾斜角度为5°,15°,30°,45°,60°的SCS进行了准静态加载实验,对SCS压缩变形过程中测量区的压缩应力和剪切应力的演化规律进行了分析。结果发现:聚丙烯在压剪复合加载下屈服规律受静水压影响明显,偏离von-Mises屈服准则;而Hu-Pae屈服准则可较好地描述聚丙烯在不同压剪复合加载条件下的屈服规律。此外,对加载速率影响屈服的规律进行研究,发现聚丙烯在压剪复合加载下的屈服行为具有应变率敏感性。     

乔木根土复合体的抗剪强度实验研究

为了探索乔木根和非饱和红粘土所组成的根土复合体的抗剪强度与土体含水量的关系,及平行双根与剪切面夹角大小对抗剪强度的影响,采用课题组自行研制的大型土复合体直剪仪,进行了大型直剪实验.结果表明:当含水量大于塑限后,根土复合体的抗剪强度随含水量的增大而减小;当含水量越大,越接近液限时,抗剪强度的峰值与最小值越接近;当含水量一定时,根系与剪切面呈一个大于45°的锐角时,抗剪强度最高;抗剪强度峰值出现对应的角度与含水量有关,含水量越大,峰值出现对应的角度越大,且越接近90°.本文为拓展乔木根系对边坡抗剪强度的影响提供了实验依据,对乔木的固土护坡的研究具有积极意义.     

自相似多孔材料的力学性能与吸能特性

通过对自相似多孔材料的研究,给出了该结构的代表体积单元和相对密度.采用有限元方法对多孔材料面外的准静态压缩以及动态压缩进行数值模拟,分析了其变形模式,提取了应力-应变响应曲线,讨论了相对密度对多孔材料的弹性模量、平台应力、密实应变以及单位质量吸能的影响.研究发现:多孔材料在面外准静态压缩时,弹性模量、平台应力随相对密度的增大而增大,密实应变随相对密度的增大而减小;相对密度主要影响多孔材料的平台应力和弹性模量.多孔材料在面外动态压缩时,在相同的冲击速度下,多孔材料相对密度越大,其单位质量吸收的能量越多.     

泡沫材料准静态力学性能实验研究

利用INSTRON-1185型万能材料试验机在准静态加载环境下对不同密度的聚氨酯泡沫的抗压、抗拉及抗弯性能进行了较系统的实验研究,分析了聚氨酯泡沫材料的力学性能及吸能特性随表观密度的变化规律.研究表明,聚氨醋泡沫材料的杭压性能优于其杭拉性能,该材料具有良好的吸能特性,且其吸能特性随密度的增大而提高.     

聊聊动态强度和损伤演化

材料强度在传统上常理解为材料在外载荷下抵抗流动/变形和破断的能力。由流变阶段到貌似突发的破断,其实源于一个隐含的应变率/时间相关的损伤演化过程。动态损伤演化研究的难点在于损伤与流变总是耦合在一起发展的。研究发现,热激活损伤演化模型可成功描述材料宏观损伤的动态演化。在此基础上,从实测的含损伤演化的表观应力应变曲线,可将两者解耦分开,并可确定各自相关的材料参数。这一思路可推广到中医脉诊的客观化研究,通过脉搏波信息定量反演脉搏波系统的正常及病态本构关系,可诊断生命体偏离正常状态的程度(病情),这可视为一种广义的损伤演化和强度问题。上述思路还可推广到地震预报研究,即“对地球把脉”。与加卸载响应比理论相结合,通过相邻3处的地震波信息来反演地球相关板块含损伤演化的非线性载荷-响应曲线,再区分出损伤演化程度,将有利于改进地震预报,这可视为另一种广义的损伤演化和强度问题。     

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。

     

磁驱动准等熵压缩下LY12铝的强度测量

高压高应变率加载下材料的强度研究一直是冲击动力学的一个难题,目前动态载荷下材料的高压强度测量主要是基于平板撞击技术,冲击温升和应变率效应对材料强度的影响难以分离. 基于小型磁驱动加载装置CQ-4,开展了磁驱动准等熵压缩下LY12 铝的声速和强度测量的实验研究,讨论了考虑加载-卸载过程时磁驱动压缩实验的负载电极设计、实验样品设计、数据处理与分析等内容,并获得了12 GPa 压力范围沿加载-卸载路径的声速变化和峰值压力点的强度数据.     

用于测量材料高温动态力学性能的SHPB技术

讨论了高温下分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验的两种方案:单独加热试样并快速对杆与同时加热试样和杆再修正温度梯度的影响。前者避免了杆被加热但是操作复杂,后者简单稳定。为了分析后者温度梯度的影响设计了一个简化模型,采用数值计算进行修正,提出了精度适当的假设,并且进行了实验验证。测量了试件和杆一起加热时杆上的温度分布,证实计算采用的温度分布是合理的。据此得到的专用于材料高温动态力学性能测试的SHPB数据处理公式简单实用,便于推广使用。     

Numerical validation of the shear compression specimen. Part I: Quasi-static large strain testing

The shear compression specimen (SCS), which is used for large strain testing, is thoroughly investigated numerically using three-dimensional elastoplastic finite element simulations. In this first part of the study we address quasi-static loading. A bi-linear material model is assumed. We investigate the effect of geometrical parameters, such as gage height and root radius, on the stress and strain distribution and concentration. The analyses show that the stresses and strains are reasonably uniform on a typical gage mid-section, and their average values reflect accurately the prescribed material model. We derive accurate correlations between the averaged von Mises stress and strain and the applied experimental load and displacement. These relations depend on the specimen geometry and the material properties. Numerical results are compared to experimental data, and an excellent agreement is observed. This study confirms the potential of the SCS for large strain testing of material.     

电磁驱动高能量密度动力学实验的一维磁流体力学多物理场数值模拟平台：SSS-MHD

超高压、超高密度物质状态生成和性质研究是当代极端物理学的重要前沿领域,电磁驱动的高能量密度物理实验对于该领域的意义尤为重要。这类实验虽然形式上多种多样,但在物理上有内在统一性,即均以力学守恒定律和宏观电磁理论为基本框架。为了建立统一数值模拟平台、依靠负载电流实验数据（或驱动电路真实数据）确定各种极端实验条件下负载构形的力学运动及其与各个物理场的耦合问题,将经受大量实际检验的冲击、爆轰动力学和激光效应计算的一维拉格朗日编码SSS,实质性扩展成为磁流体力学多物理场耦合编码SSS-MHD。对于具有典型意义的平面准等熵斜波压缩、高速平面固体飞片发射、固体套筒电磁内爆和炸药内爆磁通量压缩实验等各类高能量密度动力学实验案例的模拟计算结果表明,编码SSS-MHD计算与美国Z装置、中国CQ和CJ系列装置的实验及美国编码ALEGRA-1D和2D计算数据的相对偏差基本不超过5%。该数值模拟平台为极端材料动力学实验（包括气体、液体、化合物和金属）提供了有力的支撑,还将有助于多维磁流体力学多物理场编码的开发。     

Numerical validation of the shear compression specimen. Part II: Dynamic large strain testing

Part I of this work addressed quasi-static loading of the shear compression specimen (SCS), which has been especially developed to investigate the shear dominant response of materials at various strain rates. The stress and strain states were characterized numerically. Approximations were presented to reduce the measured load,P, and displacement,d, into equivalent stress and strain . This paper addresses dynamic loading of the SCS. Several simulations were made for representative materials, whose stress-strain behavior is assumed to be rate-independent. The results show that stress wave loading induces strong oscillations in theP-d curve. However, the curve remains smooth in the gage section. The oscillations are about the quasistatic load values, so that with suitable filtering of the dynamicP-d curves, the quasi-static ones are readily recovered. Consequently, the approach that was developed for quasi-static loading of the SCS is now extended to dynamic loading situations. The average strain rate is rather constant and scales linearly with the prescribed velocity. As the plastic modulus becomes smaller, the strain rate reaches higher values. Friction at the end pieces of the specimen is also investigated, and shown to have a small overall influence on the determined mechanical characteristics. This paper thereby confirms the potential of the SCS for large strain testing of materials, using a unified approach, over a large range of strain rates in a seamless fashion.     

斜波压缩实验数据的正向Lagrange处理方法研究

提出了一种联合使用Lagrange方法和转换函数方法来处理斜波压缩实验数据的新途径,和传统的数据处理方法相比,该方法更适合处理材料的复杂力学响应并具有较好的精度,同时该方法使用过程中对样品材料参数的初猜值精度要求更低。分析了转换函数方法的可靠性和健壮性,讨论了转换函数和Lagrange方法联合在斜波压缩强度实验数据处理中的应用,获得了可靠的结果。     

斜波压缩下HMX晶体的弹塑性行为

开展了（010）、（011）晶向HMX晶体的斜波压缩实验,获得了约15 GPa压力下的速度响应剖面。实验结果表明,HMX单晶存在明显弹塑性转变行为,且速度波形有下降趋势,这是材料的黏性效应导致,材料的弹性极限随着样品厚度增加而变化,不同晶向的材料动力学特性存在差异。结合Hobenemser-Prager黏弹塑性本构关系和三阶Birch-Murnaghan物态方程开展了HMX晶体斜波压缩物理过程的数值模拟,计算结果可以很好地描述HMX晶体的弹塑性转变这一物理过程。     

Ⅱ型动态扩展裂纹尖端的弹黏塑性渐近场

考虑材料的黏性效应建立了Ⅱ型动态扩展裂纹尖端的力学模型,假设黏性系数与塑性等效应变率的幂次成反比,通过分析使尖端场的弹、黏、塑性得到合理匹配,并给出边界条件作为扩展裂纹定解的补充条件,对理想塑性材料中平面应变扩展裂纹尖端场进行了弹黏塑性渐近分析,得到了不含间断的连续解,并讨论了Ⅱ型裂纹数值解的性质随各参数的变化规律.分析表明应力和应变均具有幂奇异性,对于Ⅱ型裂纹,裂尖场不含弹性卸载区.引入Airy应力函数,求得了Ⅱ型准静态裂纹尖端场的控制方程,并进行了数值分析,给出了裂纹尖端的应力应变场.当裂纹扩展速度(M→0)趋于零时,动态解趋于准静态解,表明准静态解是动态解的特殊形式.     

舱室内爆下舰船结构损伤的一种计算方法

为了评估舱室内爆多载荷耦合作用下舰船结构的损伤范围,设计了大尺度舱段模型,并开展了舱室内爆毁伤试验,试验后测量了舱室结构的破坏范围及破坏模式,分析了舱室内爆多载荷耦合作用下舰船结构的损伤机理,据此建立了舱室内爆下舰船结构损伤的计算方法。结果表明：(1)舱室内爆下形成的强冲击波载荷和准静态压力载荷可对舰船结构造成大范围的损伤,形成多种破坏模式;(2)舱室内爆下准静态压力载荷是舱室结构损伤破坏的主要毁伤元;(3)建立的舱室内爆载荷下结构损伤变形计算方法可同时考虑强冲击载荷和准静态压力载荷对结构的损伤破坏,理论计算结果与试验结果吻合较好。     

粉煤灰小型空心砌块砌体试验研究

粉煤灰砌块砌体的研究与应用对节能降耗、保护环境、加快推广新型墙体材料的应用具有十分重要的意义.通过粉煤灰小型空心砌块砌体的抗压强度试验和沿通缝截面抗剪强度试验,对其强度、本构关系和弹性模量等基本力学性能进行了分析研究,并结合我国现行规范中已有的砌块砌体计算公式,提出了粉煤灰小型空心砌块砌体的抗压抗剪强度计算公式、应力应变曲线以及弹性模量的计算方法.经分析,其计算结果与试验值吻合较好,填补了规范中粉煤灰砌块基本力学性能分析研究的空白,并为今后工程设计提供了基本技术参数支持和理论参考.