SHPB系统圆柱形试件的惯性效应分析

在对分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验系统试件惯性效应分析的基础上,增加了界面摩擦做功对试件惯性效应影响的分析．在理论分析的基础上,就如何减小摩擦效应、惯性效应对实验结果的影响,对SHPB试件尺寸比例的设计以及摩擦系数的选取作了进一步的分析,另外还对SHPB实验过程中,试件两端应力平衡情况做了初步的讨论．     

混凝土HJC本构模型参数的研究

运用非线性有限元动力分析软件LS-DYNA模拟了混凝土SHPB试验.将试验采集的入射波数据作为压杆的端面载荷,模拟条件尽量符合试验条件,确保模拟精度.将数值模拟与试验结果相结合,研究了混凝土HJC模型参数的确定方法,得到了C60混凝土的相关计算参数,模拟结果得到的应力-应变曲线与不同应变率下混凝土SHPB试验应力-应变曲线吻合较好.分析了HJC模型的本构特性,比较了与金属JC模型的差异与共性,讨论了HJC模型存在的问题.研究结果表明,未考虑混凝土弹性响应的应变率效应,横向效应的影响与采用的失效方式密切相关.     

基于SHPB的UHPC冲击试验径向惯性效应分析

为探讨UHPC试件惯性效应对SHPB加载过程的影响，采用大型有限元分析软件LS-DYNA从试件直径、长径比以及恒应变率加载等角度出发，开展了相应的数值模拟与分析。通过对软件中Karagozian-Case-Concrete (KCC)损伤模型参数取值进行优化，建立了基于SHPB技术的UHPC材料冲击压缩数值模型并与试验验证。在此基础上，开展不同UHPC试件直径、长径比以及有无整形器下的参数分析，探讨其对SHPB试验中径向惯性效应的影响。结果表明:(1)为实现加载过程中一维应力传播和UHPC试件应力平衡，试件直径建议按0.90～0.95倍杆件直径取值；(2) UHPC试件长径比对试件加载过程中的应力平衡影响较小，但综合试件中钢纤维分布均匀性以及破坏前一维应力传播，建议按0.35～0.45取值；(3)实现恒应变率加载是UHPC材料在SHPB冲击试验中消除径向惯性效应的重要前提。     

大直径SHPB装置的数值模拟及实验误差分析

介绍了用于混凝土冲击试验的Φ100SHPB装置。利用数值模拟和应变测试相结合的方法讨论了应力波在该装置中的传播特性。二维效应导致应力波在大直径SHPB装置传播过程的弥散现象。同时在实验的大部分时间内大尺寸试样的应力(应变)存在不均匀性。因此大直径SHPB装置进行混凝土冲击压缩应力-应变曲线的实验研究会产生误差。利用数值模拟分析了误差影响程度,同时验证了用混凝土试样应变和透射杆应力得到应力-应变曲线初始段的可行性。     

混凝土高温动态力学特性与本构方程

混凝土材料是多相复合材料,高温动荷载作用下其力学行为非常复杂。为此,对混凝土在爆炸、火灾等高温环境中力学特性的研究,有利于减小混凝土结构在爆炸及火灾事故中的损失。文中首先利用分离式霍普金森压杆试验装置(SHPB)设计出一套混凝土高温试验方案,然后基于15组试验工况对混凝土在温度为16℃至650℃范围内,加载撞击速度分别为5m/s、7m/s和12m/s时进行了SHPB试验,获得了与之对应的应力应变曲线。试验结果表明,混凝土应变率增强效应与高温弱化效应相互耦合,致使混凝土受温度的影响显著大于其应变率。最后,由试验结果以经典损伤理论模型为基础,根据混凝土高温动态力学特性,构建了一个统一的方程来描述混凝土高温动态应力应变关系的全过程,并且该本构方程计算结果与试验数据吻合良好。     

高强混凝土动态压缩试验分析

准确测量混凝土动态压缩性能及其应变率强化效应一直是冲击动力学研究领域的重点和难点之一。针对混凝土大口径SHPB实验，分析探讨了其中几个主要问题:应力均匀性问题、恒应变率问题和端面接触问题。研究表明:对于此次试验中混凝土试件而言，应力均匀性假设限制试验最大应变率小于166 s?1；杆和试件端面接触不平和接触不良使得测算出的杨氏模量和屈服强度明显小于实际值；在此基础上，给出了五步测试法和预应力法；利用复合整形技术实现了近似恒应变率加载。利用以上所发展和改进的技术得到了C110混凝土动静态应力应变曲线，结果显示，在试验范围内混凝土杨氏模量并没有应变率效应，其单轴压缩屈服强度与应变率对数呈线性正比关系，其唯象应变率强化因子为0.10。理论分析表明，大口径SHPB试验所得混凝土应变率效应是一种唯象效应，对于混凝土类压力敏感屈服材料而言，应该根据其屈服面方程对其进行校正，从而得到其本构方程中材料的应变率强化因子，分别利用Tresca屈服准则和K&C本构中屈服面方程对其进行校正，得到C110材料的真实应变率强化因子分别为0.015和0.038。     

钢纤维高强混凝土冲击压缩的试验研究

介绍了利用100 mm SHPB装置获得钢纤维高强混凝土冲击压缩应力-应变曲线的试验研究。同一类试样在静态和动态共4个不同应变率下的试验结果揭示混凝土是应变率敏感材料，其破坏应变、峰值应变和弹性模量表现出显著的应变率强化效应。从静态和动态压缩下混凝土损伤演化的不同形式对这种应变率强化效应进行了详细讨论。从相近应变率下不同钢纤维含量试样的试验结果中，发现冲击压缩下钢纤维对混凝土的增强效应随应变率的增大而减弱。从钢纤维对混凝土静态和动态压缩下损伤演化形式的影响，讨论了钢纤维对混凝土的这种增强效应。     

变形模式对多孔金属材料SHPB实验结果的影响

利用两种改进后的Hopkinson杆实验分别测得多孔金属材料冲击端和支撑端的应力.实验结果及高速摄影表明,随着撞击速度的增加,试件两端的应力均匀性变差,分别对应着泡沫材料的3种变形模式:准静态模式、过渡模式、冲击模式.实验得出在冲击模式下,冲击端与支撑端的应力与试件的厚度无关,但是与试件的密度有关.在多孔金属的高应变率实验中,变形模式对SHPB实验有很大的影响,轴向惯性(波动)效应会导致试件两端的应力不均匀,此时利用SHPB得出的实验结果将会是应变率效应和惯性效应的耦合,不能真实反映材料的动态力学性能(应变率效应).      

横观各向同性材料动态力学性能试验中的试件最佳尺寸

本文根据张量变换和能量法,得到了横观各向同性材料在SHPB高应变率试验中完全消除惯性影响的试件的最佳长径比公式,并对几种重要的复合材料作了计算和讨论。     

大尺寸Hopkinson压杆及其应用

本文介绍了国内最大尺寸的SHPB装置;讨论了在大尺寸SHPB装置上测量混凝土类材料动态力学性能将会出现的几个问题;采取了在入射杆的打击端加设波形整形器,在试件与杆件之间加设万向头及在试件上直接测量应变等新的实验技术及采用新的数据处理方法,提高了试验结果的精确度和可信度;简要介绍了利用ф100 SHPB装置对四种体积含量(0,2%,4%和6%)钢纤维高强混凝土进行三种应变率(10~20/s,35~45/s和75~85/s)的冲击压缩实验。实验结果表明,钢纤维高强混凝土具有较强的应变率效应,其破坏应力、峰值应变随应变率增加而显著增加,弹性模量也随应变率增加而增加。另外,钢纤维含量对混凝土具有增韧效应,随着钢纤维含量的增加,其韧性增大,脆性降低。     

用三线摆测定物体对非质心轴的转动惯量

对三线摆的线性近似模型和转动惯量计算公式的由来作了简要说明. 分析了三线摆扭振系统 质心偏移对转动惯量测试的影响，给出了扭振系统质心与三线摆中心轴对齐的判别准则和用 三线摆测定物体对非质心轴转动惯量的工程实用方法. 通过工程实例说明了该方法的有效性 与可靠性. 最后讨论了提高转动惯量实测精度的几项具体措施.     

冲击下混凝土试样应变率效应和惯性效应探讨

结合混凝土试件的真三轴静载冲击实验结果,分别运用考虑应变率效应的Holmquist-Johnson-Cook (HJC)模型和考虑静水压效应的Drucker-Prager (DP)模型进行数值分析,以探讨研究混凝土试样应变率效应和惯性效应的方法。在探究混凝土的应变率效应和横向惯性效应的关系时,使用HJC模型的数值模拟结果来拟合DP准则的各个参数。结果表明:随着应变率的升高,混凝土的强度会提高,并且这种强度的提高,也有一部分原因是第一应力不变量I₁的增大所导致的。因此,混凝土试件的应变率效应和横向惯性约束具有较强的耦合作用。理论和数值分析了冲击下试样内部的横向应力分布特征与应变率、静水压和试样尺寸的关系,结果发现:试样内部横向应力的幅值随着应变率、静水压的升高而增大,但随着试样尺寸的增大而减小。为了探讨横向惯性带来的强度提升效果,提出了一个有关冲击方向最大应力σ_x和等效应力σ_e的参数ξ,且ξ=(σ_x?σ_e)/σ_x。此参数具有尺寸效应、应变率效应和静水压效应,但是此参数与应力三轴度的关系表现出应变率无关特性,可为应变率效应的研究提供新的思路。     

基于PVDF薄膜传感器的猪肝动态压缩力学性能测试

瞬态冲击载荷作用下肝脏的力学响应是损伤生物力学的重要研究内容。本文提出了一种可用于软组织动态压缩力学特性测试的改进SHPB(分离式霍普金森压杆,Split Hopkinson Pressure Bar)方法。该方法采用PVDF(聚偏氟乙烯,Polyvinylidene Fluor)压电薄膜传感器测量实验过程中试件两端面的受力,以此来计算试件的应力,从而无需测量透射杆上的微弱透射信号。猪肝试样前后端面的PVDF压电信号对比表明,加载过程中试样达到了动态应力平衡状态。试样动态压缩中的惯性效应主要在加载的初始阶段对透射应力信号造成较大影响,在大变形阶段惯性效应引起的轴向应力较小。利用此方法对猪肝组织进行三种高应变率(1800s^-1,2500s^-1,3500s^-1)的动态压缩实验,并采用基于真实应变的惯性效应公式对实验数据进行修正计算。结果表明:猪肝组织在准静态与高应变率时的应力应变曲线都呈现出凹向上的非线性特征,即曲线初始阶段应力增长较缓慢,当应变达到15%后应力值则迅速增大;猪肝组织也具有明显的应变率效应,即随着应变率的增加,应力应变曲线的整体应力值也随之增大。最后,采用黏超弹性本构模型描述了猪肝组织的动态应力应变曲线。     

理想直杆中轴向应力波的传播和反射导致的分叉问题

对阶跃载荷作用下弹性理想完善直杆中应力波的传播及其反射引起民的分叉问题进行了理论分析和数值计算，讨论了此类动力屈曲问题中横向惯性效应的影响；给出了一种进行后分叉分析的近似方法，得到了一些结论，在各类结构由于应力波的传播及反射引起的分叉问题具有指导意义。     

EPS混凝土的动态劈裂强度和能量耗散

 用分离式Hopkinson压杆对多种聚苯乙烯(expanded polystyrene,EPS)体积含量的EPS混凝土试样进行了动态劈裂实验。提出了描述EPS混凝土劈裂强度与应力率关系的经验公式,该式同时适合于静态和动态应力率,并根据实验结果拟合了系数。分析了EPS含量、粒径大小对劈裂强度和动态增强因数的影响,发现碳纤维能有效提高EPS混凝土的动态劈裂强度,尤其对于小EPS粒径混凝土。此外,还研究了试样的能量耗散随应力率的变化规律,EPS含量增加时,试样的能量耗散随应力率的增加而增加,反应出EPS颗粒具有增韧和吸能效果。     

莫尔-库仑准则下高强度混凝土的临界爆裂蒸汽压力

高强度混凝土高温爆裂概率随含水率的增大而增大,表明蒸汽压力是诱发爆裂的重要因素之一,该压力通过改变有效应力影响了强度。为定量研究蒸汽压力对强度的影响,基于莫尔-库仑准则和有效应力原理,推导了临界爆裂蒸汽压力的求解公式,并从数理角度证明了其严密性,结果表明:(1)公式物理意义明确,并与现有的研究成果和实际工程灾害一致性好;(2)理论分析尚不能完全考虑材料物理特征对爆裂的影响,还需结合模型实验开展极端高温环境下理论模型中相关系数的测定;(3)应结合火灾后建筑物不同部位构件的破坏形态,从受力状态与破坏特征两方面去分析和反馈其中的机理,完善理论分析中的不足。     

反复荷载下型钢再生混凝土组合柱粘结性能研究

为研究反复荷载下型钢再生混凝土组合柱粘结性能,对17个组合柱进行了拟静力试验。重点分析型钢翼缘应变分布特征,利用粘结应力计算公式获取型钢翼缘粘结应力大小及其分布规律。在此基础上,分析组合柱粘结破坏机理和位移荷载循环次数对其粘结应力的影响规律,并给出粘结应力退化率计算公式。研究结果表明:反复荷载作用下型钢再生混凝土组合柱粘结应力分布规律基本呈抛物线状;柱中部附近的粘结应力最大,柱上下端粘结应力分布复杂,需对这三个部位采取相应的措施以保证型钢与再生混凝土之间的粘结强度;位移循环荷载作用下粘结强度逐渐降低,出现粘结应力退化现象。研究结论可为型钢再生混凝土组合柱的抗震设计提供理论参考。     

基于应变计观测数据的混凝土温度应力解析

混凝土温度应力测定一直是人们致力解决的科学难题.本文根据振弦式混凝土应变计的工作原理,提出了基于混凝土应变计观测数据的温度应力计算公式,并采用电热带给试件直接施加温度作用的方法,模拟弹性约束条件进行了温度应力试验测定,确定了计算公式中温度应力修正系数与温度变化的关系.研究结果表明,振弦式混凝土应变计可以用来测定均匀温度作用产生的温度应力,根据本文提出的计算公式得到的温度应力计算值与实测值吻合良好.     

混凝土中爆炸应力波衰减规律的数值模拟研究

基于Kong-Fang混凝土材料模型和LS-DYNA的多物质ALE算法,开展混凝土中爆炸波衰减规律的数值模拟研究。首先,基于已有实验数据对材料模型参数和数值算法的可靠性进行了验证,在此基础上分析球形装药在混凝土自由场中爆炸波衰减规律,利用量纲分析和数值模拟拟合了球形装药在混凝土自由场中近区爆炸波峰值应力计算公式并明确其适用范围;然后,分析装药埋深对混凝土中装药正下方不同距离处爆炸波峰值应力分布的影响,建立了耦合系数与装药埋深和测点距离之间的定量关系。结果表明:Kong-Fang混凝土材料模型可实现对混凝土中爆炸波传播衰减规律的高精度数值模拟;定义混凝土中装药质量系数和耦合常数,可定量描述装药埋深和测点距离对峰值应力耦合系数的影响;建立的混凝土中近区爆炸波峰值应力计算公式可较准确地快速预测不同装药埋深、不同测点距离和不同混凝土强度时爆炸波峰值应力。研究结果可为混凝土结构抗爆设计和爆炸毁伤评估提供参考。