基于厚度法确定小冲杆试验能量转变温度

以A106管材钢为研究对象,进行了小冲杆断裂试验,获得断后试样的最小厚度;在对试样断裂后的变形分析中,建立了试样厚度减薄率与温度的关系,规避了低温试验中载荷和位移测量不准确导致小冲杆能量转变温度不确定的问题。结果表明:基于厚度法可以准确确定小冲杆断裂试验的能量转变温度;小冲杆断裂试验后,试样最薄厚度的减小率与温度曲线关系呈现S型,有上平台、转变区、下平台三个典型区域;根据厚度减薄率与温度曲线关系可以得到小冲杆的能量转变温度。采用厚度法得到的小冲杆断裂试验的转变温度与能量法获得的结果基本一致。     

基于ASME应变限制准则的小冲杆试验等效断裂应变

小冲杆试验(Small Punch Test,SPT)技术是一种新型微试样试验技术,通过极少量材料就能得到材料的许多力学性能。本文以压力容器常用钢材Q345R为研究对象,通过ABAQUS有限元软件模拟小冲杆试验过程,得到了小冲杆试样最先失效单元的应力三轴度;然后根据ASME防止局部失效的应变限制准则中求解多轴应变极限的方法,对小冲杆试验的等效断裂应变进行了研究。研究结果表明:基于ASME应变限制准则的等效断裂应变具有较大的保守性,作者所提出的修正应变限制准则参数的方法是可行的。此外,小冲杆试样的尺寸效应对等效断裂应变也有重要影响,使得计算的等效断裂应变比有限元模拟的应变值小。     

基于BP神经网络与小冲杆试验确定在役管道钢弹塑性性能方法研究

为了能够在不停输油气工况下获得在役管道材料的弹塑性力学性能,提出了一种人工智能BP (backpropagation)神经网络、小冲杆试验与有限元模拟相结合,通过确定材料真应力-应变曲线从而获得材料弹塑性力学性能的方法.首先,通过系统改变Hollomon公式中的参数K, n值,获得457组具有不同弹塑性力学性能的假想材料本构关系,其次,将得到的本构关系代入经试验验证的含有Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)损伤参数的小冲杆试验二维轴对称有限元模型,通过有限元计算得到了与真应力-应变曲线一一对应的457条不同假想材料的载荷-位移曲线,最终将两组数据作为数据库输入BP神经网络进行训练,建立了同种材料小冲杆试验载荷-位移曲线与真应力-应变曲线之间的关联关系.通过此关联关系,可利用试验得到的小冲杆载荷-位移曲线获取在役管道钢的真应力-应变曲线,从而确定其弹塑性力学性能.通过对比BP神经网络得到的X80管道钢真应力-应变曲线与单轴拉伸试验的结果以及引用现有文献中不同材料的试验数据对此关系进行验证,证明了该方法的准确性与广泛适用性.     

基于BP神经网络与小冲杆试验确定在役管道钢弹塑性性能方法研究

为了能够在不停输油气工况下获得在役管道材料的弹塑性力学性能, 提出了一种人工智能BP (back-propagation)神经网络、小冲杆试验与有限元模拟相结合,通过确定材料真应力-应变曲线从而获得材料弹塑性力学性能的方法. 首先,通过系统改变Hollomon公式中的参数$K$, $n$值,获得457组具有不同弹塑性力学性能的假想材料本构关系, 其次,将得到的本构关系代入经试验验证的含有Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)损伤参数的小冲杆试验二维轴对称有限元模型,通过有限元计算得到了与真应力-应变曲线一一对应的457条不同假想材料的载荷-位移曲线,最终将两组数据作为数据库输入BP神经网络进行训练,建立了同种材料小冲杆试验载荷-位移曲线与真应力-应变曲线之间的关联关系.通过此关联关系,可利用试验得到的小冲杆载荷-位移曲线获取在役管道钢的真应力-应变曲线,从而确定其弹塑性力学性能.通过对比BP神经网络得到的X80管道钢真应力-应变曲线与单轴拉伸试验的结果以及引用现有文献中不同材料的试验数据对此关系进行验证,证明了该方法的准确性与广泛适用性.      

在役设备材料弹塑性力学参数测定方法综述--小冲杆实验力学研究进展之一

20多年以来,采用小型试件的小冲杆试验技术来测量在役设备材料的各种力学参数已经取得了很大进展,这个方法已经用来确定材料的弹性模量、屈服强度、塑性性能、抗拉强度、韧一脆转变温度、断裂韧度、蠕变性能和黏塑性性能等各种力学性能。由于从小冲杆试验的测量结果来确定材料的力学性能是一个反问题,因此,与此有关的反问题分析方法也得到了相应的发展。本文系统综述小冲杆试验的测量技术及从测量数据来确定材料弹塑性参数的各种经验方法和计算方法,例如有限元分析和参数法、反向有限元法、有限元和反方法、反向识别和人工神经网络、有限元优化和试验变形形状以及杂交反方法等。     

在役设备材料断裂力学参数测定方法综述--小冲杆实验力学研究进展之二

20多年以来, 用小型试件的小冲杆实验技术来测量在役设备材料的各种力学参数已经取得了很大进展. 小冲杆实验的试样虽然还没有标准, 但一般均采用直径为3～10mm,厚度为0.1～0.5mm的圆片试样.这个方法已经用来确定材料的弹性模量、屈服强度、塑性性能、抗拉强度、断裂形态转变温度、断裂韧性、蠕变性能以及表示塑性硬化和韧性损伤的微观力学参数和黏塑性性能等各种力学性能.该方法兼具取样方便和几乎无损的优点,非常适用于那些无法取出传统试样或取样不经济的场合,因此引起科技界和工业界的关注.本文综述了小冲杆试验的测量技术及从测量数据来确定材料断裂形态转变温度、断裂韧性和主曲线的移动温度的各种计算方法研究进展.     

小冲杆试验技术研究现状与展望

小冲杆试验(small punchtest,SPT)技术是一种应用于工业设备剩余寿命预测和结构完整性评定的新技术.其特点是只需要在设备的表面刮取少量的材料作为试样,然后用小冲杆试验便可以确定该在役材料的弹性模量、 屈服强度、塑性性能、 抗拉强度、 韧-脆转变温度、 断裂韧度、蠕变性能和黏塑性性能等各种力学性能和损伤程度,从而为结构的剩余寿命预测和完整性评定提供可靠的依据. 此外,该技术的取样和试验都相当简单易行, 试件取样后无须对设备修复.该技术自20世纪80年代初提出以来, 已经有了长足的进展,在美国、欧洲、日本和澳洲的核反应堆和电站设备的评定中得到应用,其相应的规范也在建立之中.该文旨在对国内外在该领域的研究成果作一个综述,并对该技术如何在工程实践中推广应用,以及建立中国标准提出相应的建议.      

小冲杆试验的有限元模拟中GTN模型参数的确定

GTN模型参数的选择一直是小冲杆模拟中一个至关重要的环节,其正确与否直接影响着模拟得到的载荷-位移曲线的正确性。以16MnR材料作为研究对象,结合拉伸试验与小冲杆试验的实验结果,逐步确定出有限元模拟中的GTN模型参数。本文重点介绍了参数fN,fc,ff的确定方法。结果发现,拟合的载荷位移曲线不具有唯一性。为了验证所用方法的正确性,增加了试样断后减薄率作为另一评判标准。这一做法后来证明是可行的。这说明载荷位移曲线不能作为判断GTN参数正确的唯一准则,而增加的断后减薄率作为另一判断标准,对此方法有很好的辅助作用。上述结果可为小冲杆实验的有限元模拟夯实基础。     

不同孔隙率及孔径泡沫铝的力学与吸能特性研究

对三种孔径两种孔隙率共六种泡沫铝试件进行了静态压缩试验,发现对于中孔隙率材料,孔隙率对材料力学性能和吸能性能仍有明显影响:孔隙率越大,其吸能能力越强,但是屈服极限越小.孔径对材料吸能能力也有一定影响.同时,试验中还发现,对于孔隙率为55%的材料,当孔径≤1mm时,泡沫铝材料的孔径对其力学性能及吸能性能影响甚小.     

铝-镁合金5A06在瞬态热冲击条件下的力学性能研究

通过热强度试验,测试并确定航空航天材料在复杂高速热冲击条件下的强度极限等关键参数,对于航空航天材料和结构的可靠性评定、寿命预测以及高速飞行器的安全设计具有重要的意义。针对强度设计手册中没有航空航天材料在高速热冲击环境下的强度极限等表征参数的现状,使用自行研制的高速飞行器瞬态气动热试验模拟系统,对铝-镁合金材料5A06在多种不同的瞬态热冲击条件下,进行气动加热模拟与热载联合试验研究,得到在瞬态热、力学环境的共同作用下铝-镁合金5A06材料的强度极限、承载时间等力学性能变化状况。为研究分析航空航天材料和结构在高速热冲击环境下的承载能力和结构减重提供了可靠依据。     

Tensile Test Machine for Unsymmetrical Materials

A novel solution to overcome the shortcoming of conventional tensile test machines in dealing with unsymmetrical materials and off-axis testing of composites is presented. Conventional testing machines are designed on the basis of subjecting a specimen to axial load to determine the stiffness and strength of the material. For specimens with unsymmetrical cross-section this method is no longer valid due to induced additional bending stresses. To overcome this problem a novel tensile test machine was designed, which allows bending deformation, thus subjecting the specimen to pure tension instead of axial loading. To validate the design, the machine was fabricated and employed for tensile testing of an aluminum specimen with unsymmetrical cross-section. The comparison of test results from a conventional machine and from analytically calculations, based on pure tension, reveals that conventional machine generates significant errors, while the results from new machine are in good agreement. The machine was then used to test a functionally graded beam.     

三维DIC在GFRP锚杆拉伸力学性能测试中的应用

随着玻璃纤维增强塑料(GFRP)广泛运用于轨道交通及边坡加固中,其力学性能的测试显得尤为重要。基于三维数字图像相关(DIC)方法,研究了三种不同加载速率下GFRP锚杆的拉伸力学性能,分别得到了应力-应变曲线及弹性模量、抗拉强度、最大力总延伸率等参数。实验结果表明,螺旋状变截面锚杆的轴向应变呈非均匀分布,由三维DIC得到的锚杆弹性模量结果一致性优于传统的接触式引伸计方法,GFRP锚杆几乎呈线性分布的应力-应变曲线表明该材料为典型的脆性材料。     

温度对灰砂岩物理特征及抗拉强度影响的试验研究

为研究温度对灰砂岩物理特征及抗拉强度的影响,利用对径压缩试验对经历不同温度的灰砂岩圆盘试件的力学特性进行分析,结合动态信号测试分析系统实时监测并记录试件中部侧向应变,采用非金属超声检测分析仪、SEM等手段对经历不同温度的灰砂岩纵波波速、微观结构等特征进行表征。试验结果表明:1高温导致灰砂岩质量与纵波波速分别降低了3.83%与50.03%,损伤程度逐渐增大,且在经历温度为600℃时发生突变;2灰砂岩抗拉强度随经历温度的升高而减小,近似服从负线性分布,峰值压缩变形量与峰值侧向应变均随经历温度的升高而增大,在经历温度为600℃时发生突变;3高温导致试件颜色由灰白色变为淡黄色,断面起伏度降低,裂隙数量与裂隙类型增加。上述研究成果可以为热作用下地下结构稳定性的研究提供参考。     

A Tensile Split Hopkinson Bar for Testing Particulate Polymer Composites Under Elevated Rates of Loading

A tensile split Hopkinson bar apparatus is developed for testing high strain rate behavior of glass-filled epoxy. The apparatus uses a specimen gripping configuration which does not require fastening and/or gluing and can be readily used for castable materials. Details of the experimental setup, design of grips and specimen, specimen preparation method, benchmark experiments, and tensile responses are reported. Also, the effects of filler volume fraction (0–30%) and particle size (11–42 μm) are examined under high rates of loading and the results are compared with the ones obtained from quasi-static loading conditions. The results indicate that the increase in the loading rate contributes to a stiffer and brittle material response. In the dynamic case lower ultimate stresses are seen with higher volume fractions of filler whereas in the corresponding quasi-static cases an opposite trend exists. However, the absorbed specific energy values show a decreasing trend in both situations. The results are also evaluated relative to the existing micromechanical models. The tensile response for different filler sizes at a constant volume fraction (10%) is also reported. Larger size filler particles cause a reduction in specimen failure stress and specific energy absorbed under elevated rates of loading. In the quasi-static case, however, the ultimate stress is minimally affected by the filler size.     

Material Characterization at High Strain by Adapted Tensile Tests

The strength of materials at high strain levels has been determined using the so-called Continuous-Bending-under-Tension (CBT) test. This is a modified tensile test where the specimen is subjected to repetitive bending at the same time. This test enables to create high levels of uniform strain. A wide variety of materials has been tested this way. The strength of the material after CBT testing has been measured in different ways: by secondary tensile tests, by interrupted CBT tests, and directly from the fracture in the CBT test. All methods yield similar results: the strength is largely unaffected by the cyclic pre-deformation and mainly depends on the overall increase in length. Only for multi-phase materials the strength shows a minor influence of CBT test conditions. The hardening follows the extrapolated hardening observed in a conventional tensile test, except for brass. This test method can potentially be used for measuring hardening curves at high strain levels.     

Electromechanical Characterization of Au Thin Films using Micro-tensile Testing

This paper presents the test technique about measurement of electrical resistance changes of thin films during tensile testing. In this work, we used a real-time digital image correlation strain measurement system coupled with micro-tensile testing unit and voltage/current sourcemeter. This system has the advantage of real time displacement monitoring with a resolution of 50 nm during the micro-tensile testing, with the ability to measure the variation in electrical resistance of the specimen at the same time. We obtained the complete testing data for the stress–strain curve and associated electrical resistance-strain curve for 1 and 2 μm-thick freestanding gold films. Young’s modulus was about 61~69 GPa and 0.2% offset yield strength was about 361~402 MPa. In case of the electrical resistance, rapid change was observed under the elastic regime, while less obvious under the plastic regime. We also conducted finite element analysis, and this result implied that the electrical resistivity would not be constant during micro-tensile testing.     

钢筋再生混凝土梁徐变性能试验研究

为揭示钢筋再生混凝土梁的徐变性能,通过三种持荷水平下9根钢筋再生混凝土梁试件的徐变(徐变应变与徐变挠度)对比试验,分析了钢筋再生混凝土梁徐变与时间的相关关系,研究了加荷幅值、初始变形(初始应变、初始挠度)等因素对钢筋再生混凝土梁徐变性能的影响规律,揭示了钢筋再生混凝土梁的徐变机理。研究结果表明:在45%极限荷载水平的持续作用下,钢筋再生混凝土梁总徐变挠度值为初始挠度值的62%左右,并且在前期发展较快,7d发展至总徐变挠度值的64%左右,后期变缓;钢筋再生混凝土梁徐变随着施加荷载幅值、初始变形的升高而有所增加。经历徐变过程后的钢筋再生混凝土梁,其承载性能有所下降,变化趋势为总徐变值越大,降低的幅度也越大。     

Coupled Hydraulic System for Tensile Testing in Compression-only Machines

Fracture theory for normal strength concrete has thoroughly been studied over the past decades. Through indirect and direct tensile testing techniques, the post-peak softening response of conventional concrete has been established and utilized in analysis and design. However, for more recently developed concrete materials (e.g. fiber reinforced, high performance) under complex loading conditions, the required fracture properties to predict response are extremely limited. Considering this lack of knowledge, the objective of this research was to develop a uni-axial tensile testing technique to attain the post-peak softening response for ultra-high performance concrete for ultimate use in conjunction with an applied confining pressure system. Specifically, this research was conducted for implementation into an existing, large compression-only machine at the US Army Engineer Research and Development Center (ERDC). The new methodology enabled the existing testing frame to apply a stiffening force, while an external hydraulic plunger cylinder performed the tensile test. The scheme enables tensile testing under confining pressures in the compression-only machine.     

分级加卸载硬岩短时蠕变特性实验研究

由单向抗压强度实验及8级加卸载短时蠕变实验,得到蠕变下限为27MPa的细砂岩试样典型的坚硬岩石脆性断裂特征.应力-应变等时曲线线性回归函数的相关系数均高于0.92,长期强度与瞬时强度之比达94.39%,证明细砂岩试样的整体蠕变特性不强.应力-轴向应变等时曲线线性回归函数的平均相关系数高出应力-径向应变等时曲线线性回归函数的平均相关系数3.92%,因此其轴向非线性蠕变特性相对于径向非线性蠕变特性更弱.随着时间延续,细砂岩试样的非线性蠕变特性总体服从负Gauss分布规律,具有明显的时间效应.随加载应力水平的提高,应力-轴向应变等时曲线和应力-径向应变等时曲线线性拟合函数的平均相关系数下降幅度分别为0.97%和0.67%,线性相关性普遍降低.所以细砂岩试样的非线性蠕变程度随加载应力水平的提高而提高,载荷效应明显.