Hopkinson曲杆型双向拉伸加载设计探讨

为了实现对材料或结构的双向高应变率同步拉伸加载,基于曲杆中弹性应力波传播理论和Hopkinson杆原理,首先在对称的人字形曲杆结构中同时产生和传递两路压缩波,再经过接触转接头反射形成沿拉伸加载杆传播的双向拉伸波,实现对试样的双向动态拉伸。同时,为理解人字形曲杆几何构形对弹性压缩波传播的影响规律,对该加载装置进行了动力学分析和ABAQUS有限元模拟。研究发现,理想方波构形的压缩弹性波经过曲杆传播后,方波的平台段随着杆弯曲角度的增大出现前高后低的倾斜现象,同时大曲率杆引起的波形失真更严重。为获取常规方波或梯形波的平台段,也可采用定量优化的锥形撞击杆,产生前低后高的加载波,来抵消曲杆传递中的倾斜失真。最后,为了验证该加载系统的有效性,搭建了小型人字形曲杆高应变率双向拉伸装置进行试验测试。结果表明,该装置实现了脉宽约为54 μs的双向拉伸加载波良好的同步,两路波形起始点时间差可以控制在约2.5 μs以内,幅值差约6×10?6。同时对2024铝合金试样进行了双向拉伸试验,取得良好的试验效果。     

钢筋混凝土圆形截面非均匀配筋的图算法

圆形截面是工程中常使用的截面形式之一,但圆形截面的配筋计算较为困难,存在双重非线性(材料和截面宽度变化的非线性),《混凝土结构设计规范》给出了计算均匀配筋的超越方程组,且须迭代求解,无法手算.另外,一些圆形截面构件(如桥墩、桩基的预制桩和灌注桩等)的截面尺寸大,构件长,钢筋用量大,若采用均匀布置的配筋方式,中性轴附近的钢筋应力小,强度利用率低,经济性差.若采用非均匀配筋,在远离中性轴的外围区域布置受力钢筋,可大幅节省钢筋用量,且能充分利用钢筋及混凝土的强度.为此本文通过应变计算应力,再计算出内力的方法推导计算圆形截面配筋的公式,并将计算结果绘制成了能计算配筋的无量纲诺模图,由此可快速手算配筋,该图通用性强,可用于任意直径大小及C50以下的混凝土强度等级,是一能快速计算配筋的实用工具.     

Kevlar29纱线动态拉伸力学性能与本构方程

为了能够清晰地表征芳纶纱线在不同应变率下的力学行为,进行了Kevlar29纱线的准静态和动态拉伸试验,结合分离式霍普金森拉杆理论和运动目标追踪法,获得了Kevlar29纱线在不同应变率下的应力-应变曲线,分析了纱线动态拉伸的变形与断裂过程,揭示了Kevlar29纱线力学性能的应变率效应;通过最小二乘法拟合得到了基于纱线应变率效应的黏弹性本构方程,分析了三元件和五元件本构模型的差异及适用性。结果表明：随着应变率升高,Kevlar29纱线的断裂应变减小,拉伸强度和韧性先增大后减小,拉伸模量先增大后趋于稳定;五元件黏弹性本构模型能够较好地表征纱线力学性能的应变率效应。     

纤维增强复合材料高应变率拉伸实验技术研究

本文对基于分离Hopkinson杆的反射式纤维增强复合材料动态拉伸实验技术进行了研究讨论。对加载杆中可能影响拉伸应力波波形实验分析的所有干扰波进行了较系统地定量分析研究,认为产生于试样端头与加载杆界面处的两主要干扰波对希望得到的应力波的测量和判别具有严重的不利影响,因此拉伸实验设计必须避开该主干扰波的重叠影响。文中对动态拉伸实验装置、实验要求及信号采集等作了分析。根据对试验结果的分析,针对复合材料动态拉伸实验技术的若干问题提出了一些处理方法和建议,诸如干扰波的规避、冲击信号合理测点的选取、加载杆长度匹配、复合材料拉伸试样的设计要求以及加载连接等问题。这些方法和建议包括在加载杆特定段上贴应变片,考虑到实验的准确性一般不用反射波进行数据计算处理,尽量缩短试样标距等。     

混凝土一维应力层裂实验的全场DIC分析

基于74mm直径分离式Hopkinson杆(SHPB)实验平台进行了混凝土杆的一维应力层裂实验.采用超高速相机(采样频率:2 $\mu$s/frame)结合数字图像相关法(DIC),记录混凝土试件中的动态位移场实时变化情况,探讨了混凝土在拉伸断裂过程中的表面位移场及速度场演化规律.针对实验中出现的多重层裂现象,基于一维应力波传播理论,指出各个位置在发生层裂时,其最大拉应力均由透射压缩波与反射拉伸波叠加而成,各处层裂发生时均处于一维应力状态.并提出了根据层裂位置左右两点速度趋势变化判断层裂发生时刻的判据.该判据可以给出所有层裂的起裂时间,结合DIC分析直接给出了混凝土多重层裂应变.结果显示混凝土的拉伸强度具有明显的应变率效应,在30 s$^{-1}$的应变率下,其拉伸强度的动态增强因子(DIF)可以达到5.与传统的波叠加法和自由面速度回跳法相比,DIC全场分析法不受加载波形限制,可以精确给出每个层裂的位置和起裂时间,从而得到试件在高应变率加载下不同位置处的断裂应变、拉伸强度及相应应变率,提高了测量效率.      

应变率对光圆钢筋与混凝土“粘结-滑移”行为影响的实验研究

为研究应变率对钢筋与混凝土界面粘结性能的影响，利用高速拉伸试验机进行了光圆钢筋的动态拔出实验。通过合理设计加载夹具和测试方法，得到不同应变率下光圆钢筋的“粘结-滑移”全程曲线。实验结果表明:随着应变率的增大，钢筋-混凝土界面的粘结强度显著提高，且界面失效形式由拔出失效为主转变为混凝土试件的破裂破坏为主；粘结强度的动态增强因子（f _DIF）随应变率的增长斜率明显可以分为低应变率和高应变率两个区段。低应变率下，f_DIF增长较为缓慢；而高应变率下，f _DIF快速增长；转变应变率约为33 s?1。     

混凝土一维应力层裂实验的全场DIC分析

基于74 mm直径分离式Hopkinson杆(SHPB)实验平台进行了混凝土杆的一维应力层裂实验.采用超高速相机(采样频率:2μs/frame)结合数字图像相关法(DIC),记录混凝土试件中的动态位移场实时变化情况,探讨了混凝土在拉伸断裂过程中的表面位移场及速度场演化规律.针对实验中出现的多重层裂现象,基于一维应力波传播理论,指出各个位置在发生层裂时,其最大拉应力均由透射压缩波与反射拉伸波叠加而成,各处层裂发生时均处于一维应力状态.并提出了根据层裂位置左右两点速度趋势变化判断层裂发生时刻的判据.该判据可以给出所有层裂的起裂时间,结合DIC分析直接给出了混凝土多重层裂应变.结果显示混凝土的拉伸强度具有明显的应变率效应,在30 s~(-1)的应变率下,其拉伸强度的动态增强因子(DIF)可以达到5.与传统的波叠加法和自由面速度回跳法相比,DIC全场分析法不受加载波形限制,可以精确给出每个层裂的位置和起裂时间,从而得到试件在高应变率加载下不同位置处的断裂应变、拉伸强度及相应应变率,提高了测量效率.     

单向增强玻璃钢复合材料静/动态拉伸实验研究

本文针对单向增强玻璃钢复合材料，进行了一系列静/动态拉伸试验，利用高速摄影与DIC相结合的方法，获得了材料不同方向、不同应变率的应力-应变曲线以及材料在不同方向上的动态失效应变，精确地描述了材料的静/动态拉伸及失效行为。实验结果表明，纤维增强方向在不同应变率（10?3、10、102 s?1）拉伸应力-应变曲线均存在一个刚度减小的刚度变化点N，变化后的E_changed分别为初始弹性模量E_initial的67.5%、39.0%、21.4%。此材料在不同应变率（10?3、10、102 s?1）拉伸情况下，纤维增强的方向1上强度最高（分别为608、967、1 123 MPa），方向2强度最低（分别为75、67、58 MPa），方向3强度较低（分别为90、151、221 MPa）。利用高速摄影与DIC相结合的方法，获得了100 s?1应变率下，不同铺层方向破坏时刻的动态失效参数（方向1～3的动态失效应变分别为0.267、0.078、0.099），可以更加精确地描述此单向增强玻璃钢复合材料的动态失效行为。     

高应变率下TiC_P/Ti复合材料的动态拉伸性能

采用旋转盘式杆-杆型动态拉伸试验机对TiCP颗粒增强钛基复合材料及其基体钛合金的动态拉伸性能进行了研究.同时为了比较,在MTS810试验机上做了两种材料的准静态试验.试验结果表明,复合材料及基体材料屈服后至材料的迅速失效,几乎没有应变硬化效应;复合材料的抗拉强度和屈服强度较基体明显提高,但延性明显下降;钛合金基体和复合材料均有明显的应变率强化效应,但复合材料的应变率强化效应明显高于基体;建立了复合材料率相关的本构关系.最后从位错等微观角度分析了复合材料的强化机理、复合材料的应变率敏感性以及复合材料应变率敏感性高于基体的原因.     

温度对高应变率扭-拉复合加载下形状记忆合金本构关系影响的研究

利用分离式扭-拉复合加载Hopkinson杆装置,在20℃和500℃下研究了温度对高应变率扭-拉复合加载下铁基形状记忆合金本构的影响,试验结果表明：该材料在高应变率扭-拉复合加载下的名义剪切屈服强度、剪切强度极限和名义拉伸屈服极限、拉伸强度极限均随温度的升高而降低,拉伸和扭转之间具有相互藕合作用。     

起波配筋RC梁抗爆作用机理及抗力动力系数的理论计算方法

针对钢筋混凝土(RC)梁，提出了一种通过对抗拉纵筋进行局部弯折，形成钢筋起波，从而提高RC梁抗爆能力的高效新方法。结合已有的实验结果和有限元模型计算，分析了起波配筋RC梁的受荷破坏全过程，揭示了其抗爆作用机理。分析结果表明，在RC梁底部适当位置设置纵筋起波，能增大RC梁在爆炸荷载作用下的允许变形，有效吸收爆炸能量，大幅度提高RC梁的抗爆性能。基于能量法，建立了起波配筋RC梁在爆炸荷载作用下的理论计算模型，给出了抗力动力系数的显示计算公式；讨论了平屈抗力比、平弹变形比以及屈弹变形比3个关键设计参数对起波配筋RC梁抗爆性能的影响规律，以便为进一步工程应用提供理论依据。     

应变率对SiC颗粒增强铝基复合材料拉伸性能的影响

本文利用岛津试验机和自行研制的冲击拉伸试验装置,对体积含量为10%的SiC颗粒增强铝基复合材料进行了准静态的拉伸试验、冲击拉伸试验和冲击拉伸加卸载试验,获得了复合材料在应变率为0.002s^-1-1000s^-1范围内从弹塑性变形直至断裂的完整应力应变曲线。试验结果表明,随着应变速率的提高,复合屈服应力,拉伸强度以及破坏应变均相应提高,具有明显的应变率强化效应和高速韧性现象;同时,由于冲击拉伸试验过程中热力耦合效应的影响,准静态加载下复合材料的应力指数与冲击拉伸加载下复合材料的应力指数相比降低了17.8%;在用冲击拉伸复元试验解耦出热力耦合效应的影响后,材料的静、动态等温应力应变曲线具有相同的应变硬化规律。最后,根据复合材料在不同应变率下的试验结果和Eshelby‘s等效夹杂理论,本文建立了一个计及应变率强化效应的弹塑性自洽模型,模型拟合结果与试验结果吻合得很好。     

混凝土冲击破坏动态力学及能量特性分析

动强度和能量耗散规律是研究混凝土动力特性的主要内容。为探究混凝土在冲击荷载作用下的动态力学、变形以及能量演化特征,利用直径为100 mm的霍普金森杆装置对骨料率为0、32%、37%和42%的混凝土试样,分别进行了冲击速度为5、6、7 m/s的冲击压缩试验。探讨了冲击速度和骨料率对试样变形、动强度以及分形维数的影响,建立了动强度关于冲击速度和骨料率的表达式,并对试样吸收能和裂纹表面能之间的关系进行了对比分析。结果表明:混凝土试样破坏时出现了变形滞后现象,破坏形式主要以劈裂拉伸破坏为主;动强度随冲击速度、骨料率的增大而增大,用所建动强度公式可以较好地预估混凝土动强度;混凝土破坏碎块分形维数、吸收能和裂纹表面能均随冲击速度的增大而增大,随骨料率的增大而减小,且吸收能始终高于裂纹表面能,当骨料率为37%时,吸收能转化率最高,约91%转化为裂纹表面能。     

重组竹顺纹冲击力学性能研究

重组竹是一种新型竹基复合材料,其力学性能优于落叶松等木材。为评价重组竹在动态加载下的顺纹抗冲击力学性能,以密度1.06 g/cm3、含水率8.52%、龄期3～5年的毛竹基重组竹为研究对象,通过准静态单轴压缩和循环加卸载以及动态加载实验,研究了重组竹加载变形过程、各项力学性能指标以及对应变率的敏感性。结果表明:重组竹顺纹压缩过程可以分为弹性变形和弹塑性变形阶段,破坏类型为延性破坏,其各项强度指标随应变率的提高而提高,动态增长因子与应变率之间呈现线性关系,斜率为0.0024;重组竹压缩过程中的应变比能与应变之间呈线性关系,且随应变率的增长而增大,证明其吸能能力随着应变率的增大而提高。实验结果证明,重组竹顺纹具有良好的抗冲击力学性能和显著的应变率效应。     

大理岩动态拉伸强度及弹性模量的SHPB实验研究

提出了获取脆性材料动态拉伸强度及弹性模量的实验步骤及相关记录数据的分析方法。利用直径为100mm的分离式Hopkinson压杆径向冲击巴西圆盘和平台巴西圆盘试样,测试了大理岩在高应变率加载下的动态力学性能。应力波加载下动态劈裂拉伸圆盘在试样中心产生了约45/s的拉伸应变率。分析了实验的有效性并考虑了试样两个端面应力波波形差异的影响以提高实验结果的精度。结果表明准静态下的公式可适用于动态劈裂拉伸实验;大理岩的动态拉伸强度及弹性模量比静态时有明显的增加。     

纯钒在冲击加载下的动态拉伸断裂和弹性波衰减特性

利用平板撞击和激光干涉测速技术，实验研究了国产热等静压纯钒在压力5.2~9.0 GPa、拉伸应变率0.47×105~1.19×105 s-1冲击加载下的层裂特性。结果表明:国产热等静压纯钒具有较强的抗动态拉伸断裂能力，其层裂强度在4.0~5.3 GPa范围，明显高于相似加载条件下文献给出的熔炼钒结果，这主要与热等静压加工工艺下纯钒杂质含量更低、内缺陷更少有关；同时，纯钒层裂强度对冲击压力和拉伸应变率均比较敏感。此外，对弹塑性加载速度剖面的分析发现:在6 mm样品厚度范围，纯钒的弹性波幅值随样品厚度增大而减小，雨贡纽弹性极限随样品厚度的衰减规律较好地满足指数关系σ_HEL=3.246（h_s/h₀）-0.386，h₀为单位长度。     

Plate impact and plastic deformation by projectiles

The problem of plastic deformation of thin plates struck by blunt projectiles but not perforated is considered. A streak camera and moiré technique were developed to measure the deflection as a function of time for the first few hundred microseconds after impact. The maximum radial strain is about three times the yield strain, the maximum tangential strain is very small. From these and other considerations it was found that there are three main regions of deformation. Since this is a traveling-wave problem, there is a radius beyond which there is no deformation. Inside of this is an annular region traversed by elastic bending waves of the Boussinesq type. Inside of this is an annular region whose dynamic behavior is governed by a membrane stress equal to the tensile yield stress and whose outer boundary travels at a wave velocity governed by the membrane equation. The inner region is a circular region of the diameter of the projectile and traveling with it. The projectile slows and comes to a stop after about 200 or 300 μsec. After this, the material unloads elastically; this elastic vibration behavior was not investigated. Both the time-displacement curve for the projectile and the displacement as a function of radius for specific times can be calculated numerically for dimensionless radius and dimensionless time for one parameter which is governed primarily by the projectile relative mass. The measured and predicted displacements agree within a few percent, except near the boundary between the plastic and the elastic region, for all times up to when elastic unloading commences.     

椭圆截面截卵形刚性弹体正贯穿加筋板能量耗散分析

为获得椭圆截面截卵形刚性弹体正贯穿加筋板的剩余速度，根据椭圆截面弹体贯穿靶板的破坏特征，认为贯穿过程中靶板的能量耗散方式主要为塞块剪切变形功与塞块动能、扩孔塑性变形功、花瓣动力功、花瓣弯曲变形功、靶板整体凹陷变形功、加强筋侧向凹陷变形功。推导了每种能量计算方法，计算中定量考虑了靶板扩孔、花瓣弯曲、凹陷变形的应变率效应。根据能量守恒关系，得到了椭圆截面弹体剩余速度和弹道极限速度预测公式。并通过实验结果对模型进行了验证。结果表明:考虑靶板应变硬化、应变率效应的贯穿模型可以准确预测弹体剩余速度；随着椭圆截面弹体长短轴之比的增大，靶板的弹道极限速度近似线性增大；长短轴之比小于3时，加筋板的主要耗能为花瓣弯曲变形能、整体凹陷变形能。     

Predicting the Dynamic Compressive Strength of Carbonate Rocks from Quasi-Static Properties

In this study, the split Hopkinson pressure bar testing method was used to quantify the dynamic strength characteristics of rocks with short cylindrical specimens. Seventy dynamic compression tests were conducted on 10 different carbonate rocks with the split Hopkinson pressure bar apparatus. Experimental procedure for testing dynamic compressive strength and elastic behaviour of rock material at high strain rate loading is presented in the paper. Pulse-shaper technique was adopted to obtain dynamic stress equilibrium at the ends of the sample and to provide nearly a constant strain rate during the dynamic loading. In addition to dynamic tests, the physical properties covering bulk density, effective porosity, P-wave velocity and Schmidt hardness of rocks, and mechanical properties such as quasi-static compressive strength and tensile strength were determined through standard testing methods. Multiple linear regression analyses were carried out to investigate the variation of dynamic compressive strength depending on physical and mechanical properties of rocks and loading rate. A three parameter model was found to be simple and provided the best surface fit to data. It was found that dynamic compressive strength of rocks increases with increase in loading rate and/or increase in rock property values except porosity. Statistical tests of regression results showed that quasi-static compressive strength and Schmidt hardness are most significant rock properties to adequately predict the dynamic compressive strength value among the other properties. However, P-wave velocity, quasi-static tensile strength of rocks could also be used to estimate the dynamic compressive strength value of rocks, as well, except the bulk density and effective porosity.