低应变率下硅铝质泡沫陶瓷复合材料的力学性能研究

以泡沫陶瓷复合材料在防护工程中的应用为背景,利用MTS(Material Test System,材料试验机)对该型材料进行了准静态压缩实验。得到了应变率在10-5~10-3s-1范围内的应力应变曲线,并对实验结果进行了理论分析和数值模拟。研究表明,泡沫陶瓷复合材料的力学性能在准静态一维应力压缩条件下显示出明显的应变率效应,同时其应力应变曲线可用一种经验的脆性材料本构模型进行较好地拟合。而在一维应变压缩条件下,材料的应力应变曲线则显示出明显的三段式特征:弹性段、平台段和密实段,同时材料的吸能幅值随着应变率的增大而增加。     

SnAgCu焊料的动态力学性能

对SnAgCu焊锡材料在应变率0.001、600、1 200、1 800 s-1下的拉伸和压缩力学性能进行了测试,得到了不同应变率下的应力应变曲线。结果表明,该材料不仅具有明显的应变率效应,而且其动、静态的塑性硬化模量差异很大。金相分析显示:准静态压缩时,塑性变形主要由晶粒的转动、变形和晶界的滑移控制;而动态压缩时,可观察到材料内部的枝状晶粒被折断为大量次级晶枝,呈现出明显不同于准静态情况下的变形机制。     

PTFE/Al含能复合材料的压缩行为研究

金属/氟聚合物含能复合材料是一类新型的高级含能材料.研究了室温下Al含量和应变率对PTFE/Al含能复合材料压缩性能和反应性能的影响,所加载的应变率为6×10-3s-1～8×103s-1.材料压缩性能的应变率效应明显:与静态加载相比,动态加载下材料模量和强度明显提高,但应变降低.材料的损伤过程主要包括塑性变形、开裂和反应3部分.随着Al含量的增加,材料准静态和动态压缩强度均呈先升后降的趋势,在Al含量为35%时达到最高值102.6 MPa和154 MPa;引发反应所需加载的应变率增加,但对应的应力值差别不明显,基本在165 MPa左右,材料引发后反应完全性降低.     

纯锆在压缩加载下微观变形断裂机制研究

利用材料试验机和SHPB装置研究了常态下纯锆的准静态和动态压缩力学性能。塑性变形阶段的流动应力及硬化率随应变率提高而增大,应变10％～20％段的应力-应变曲线表现出凹向上趋势。金相观测表明孪晶是纯锆的重要变形机制,孪晶密度随应变及应变率的增长而增大。大应变时,在动态压缩试样表面观测到与压缩轴呈45°的宏观裂纹。试样纵向剖开后,金相观测到发展的绝热剪切带。     

The study on the compressive behavior of ptfe/al energetic composite

金属/氟聚合物含能复合材料是一类新型的高级含能材料. 研究了室温下Al含量和应变 率对PTFE/Al含能复合材料压缩性能和反应性能的影响,所加载的应变率为6\times 10^{-3}s^{-1}\sim8\times 10^{3}s^{ -1}. 材料压缩性能的应变 率效应明显：与静态加载相比,动态加载下材料模量和强度明显提 高,但应变降低. 材料的损伤过程主要包括塑性变形、开裂和反应3部分. 随着Al含量的增 加,材料准静态和动态压缩强度均呈先升后降的趋势,在 Al含量为35\%时达到 最高值102.6 MPa和154 MPa; 引发反应所需加载的应变率增加,但对应的应力值 差别不明显,基本在165 MPa左右, 材料引发后反应完全性降低.     

准一维应变下Al2O3陶瓷动态压缩失效的实验研究

为了考察Al2O3陶瓷准一维应变下的力学性能,采用LY12铝套筒和45钢套筒对陶瓷试样进行了环向约束,在准静态和动态下分别进行了压缩实验,得到了材料的应力-应变曲线。实验结果表明,Al2O3陶瓷的轴向压缩强度基本上随围压的增大而增大,动态压缩加载下的轴向压缩强度随应变率增大而增大。Al2O3陶瓷在准一维应变下的破坏形式为裂纹破坏,准静态的脆性失效行为可以用Mohr-Coulomb失效准则来描述。     

RESEARCH ON DYNAMIC MECHANICAL RESPONSE AND CONSTITUTIVE MODEL OF PORCINE LIVER

在交通事故中,腹部器官常因冲击载荷作用而受到伤害,严重时甚至危及生命.肝损伤是腹部损伤中最为常见的一种,致死率很高,了解肝脏的动态力学性能对于事故中肝脏的损伤评估及防护设计有着重要的意义.从新鲜的猪肝组织中取肝实质部分制作试样,利用英斯特朗材料试验机对其进行两种加载率（0.004 s^-1,0.04 s^-1）和两种加载方向（垂直肝脏表面和平行于肝脏表面）的准静态压缩试验,并压缩至破坏.利用改进的分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）实验装置沿平行于肝脏表面方向进行三种高应变率（1 300 s^-1,2 400 s^-1,4 500 s^-1）的动态压缩试验.结果表明：所有应变率下的猪肝压缩应力应变曲线都呈非线性凹向上特征,初始阶段应力值很低,应变约30%后应力幅值显著增大;准静态压缩时,两种应变率（0.004 s^-1,0.04 s^-1）和两种加载方向下肝脏组织破坏应力和破坏应变等力学性能无显著不同,平均破坏应变为48%,平均破坏应力为0.45 MPa.高应变率下肝脏组织的流动应力明显高于准静态下的流动应力,表现出一定的率敏感性.采用Yeoh型超弹性本构模型描述猪肝组织准静态力学性能,基于黏超弹性模型理论,提出了一个能描述肝脏组织从低应变率到高应变率范围力学性能的率相关本构模型,该模型与实验结果有很好的一致性.     

泡沫铝合金动态力学性能实验研究

利用分离式霍布金森压杆(SHPB)实验技术和MTS材料实验机对两组不同孔径、不同密度的开孔泡沫铝合金进行了准静态和动态压缩实验研究。实验结果表明:泡沫铝合金的静态和动态变形过程均具有泡沫材料变形的三个阶段特征。开孔泡沫铝合金的变形是均匀变化过程，并不出现局部的变形带。与相对密度对力学性能的影响相比，孔径大小的影响可以忽略不计。在考察的应变率范围内，屈服应力对应变率并不很敏感。     

软质聚氨酯泡沫的动态压缩力学性能和本构模型

采用Instron 9350落锤试验机研究了中低应变率下软质聚氨酯泡沫的动态压缩力学性能,分析了其应力-应变响应特征和应变率敏感性,讨论了应变率对材料应变率敏感性指数和能量吸收特性的影响,并基于实验结果建立了可准确描述其压缩力学响应的率相关本构模型。结果表明,软质聚氨酯泡沫的静动态压缩应力-应变响应具有典型的三阶段特征,且呈现出明显的应变率强化效应。准静态加载下,材料具有较高的吸能效率但能量吸收值较小,应变率对最大吸能效率和比吸能的影响较小;动态加载下,随着应变率的增加,最大吸能效率显著减小而比吸能明显增大。考虑应变率影响的修正Sherwood-Frost模型和修正Avalle模型都能够很好地表征软质聚氨酯泡沫的静动态压缩应力-应变响应,但修正Avalle模型的参数较少,更便于工程应用。研究结果可为软质聚氨酯泡沫抗冲击结构的设计和优化提供指导。     

空心玻璃微珠及玻璃纤维混合填充环氧树脂力学性能实验研究

制备了一种空心玻璃微珠质量比、四种玻璃纤维质量比的空心玻璃微珠及玻璃纤维混合填充环氧树脂复合泡沫材料。通过一系列准静态压缩、拉伸实验,研究了玻璃纤维填充量对复合材料的密度、强度、弹性模量等性能的影响,并分析了其影响原因。通过三点弯曲实验,研究了复合材料弯曲弹性模量、弯曲强度等力学性能与玻璃纤维填充量的关系。通过拉伸断口SEM照片分析了玻璃纤维增强复合材料力学性能的原因。研究表明:随着玻璃纤维填充量增加,复合材料的拉伸和弯曲强度、压缩屈服极限及弹性模量等力学性能都有较大的提高,且仍然保持了较好的弹性性能和塑性特征。     

碳布叠层/碳复合材料动态压缩性能测试研究

利用带有波形整形器的Split Hopkinson Pressure Bar(SHPB)技术测试了碳布叠层/碳复合材料在应变率为500、1 500 s-1时的动态压缩性能。研究结果表明:利用轧制紫铜作为整形器材料不仅可以有效地实现对碳布叠层/碳复合材料的常应变率压缩加载，而且有助于改善试样两端的应力平衡，从而保证测试数据的可靠性；此外，与准静态压缩相比较，在动态压缩载荷下，碳布叠层/碳复合材料的压缩强度有较强的应变率效应，且复合材料压缩强度的动态增加函数可以用Cowper-Symonds幂函数的形式来表示。     

大应变率范围内AM80镁合金的变形行为及组织演变

采用INSTRON准静态压缩试验机和分离式霍普金森压杆装置，研究固溶态AM80镁合金在室温准静态和冲击载荷下的变形行为及组织演变。准静态载荷下，流变应力随应变率（3×10-5~4×10-1 s-1）的升高逐渐降低，表现为负应变率敏感性；冲击载荷下，流变应力随应变率（7.00×102~5.20×103 s-1）的升高而升高，呈现出明显的正应变率敏感性。冲击载荷下AM80镁合金的变形机制以基面滑移和孪生为主，大量细小致密的形变孪生以及适量非基面滑移的启动是AM80镁合金在冲击载荷下流变应力明显高于准静态载荷的重要原因。此外，随应变率的升高，AM80镁合金变形的均匀性明显增强，当应变速率升至3.65×103 s-1时，冲击变形所引起的局部绝热温升软化大于应变硬化与应变速率硬化的总和，部分晶粒产生了明显的动态回复，使得孪晶密度和变形均匀性反而降低。     

较低应变率大应变条件下聚氨脂泡沫材料的态力学性能实验

利用加长型分离式霍普金森压杆(入射杆长6000mm、子弹长800mm)研究聚氨脂泡沫材料在较 低应变率大应变条件一维应力状态下的动态力学性能,获得了约550s的长加载脉冲,得到了该材料在应变 率520s-1、应变0.15条件下的应力应变曲线,对较低应变率条件下,应变率与动态应力平衡之间的关联进行 了讨论。     

Strain-rate effect on initial crush stress of irregular honeycomb under dynamic loading and its deformation mechanism

The seemingly contradictory understandings of the initial crush stress of cellular materials under dynamic loadings exist in the literature, and a comprehensive analysis of this issue is carried out with using direct information of local stress and strain. Local stress/strain calculation methods are applied to determine the initial crush stresses and the strain rates at initial crush from a cell-based finite element model of irregular honeycomb under dynamic loadings. The initial crush stress under constant-velocity compression is identical to the quasi-static one, but less than the one under direct impact, i.e. the initial crush stresses under different dynamic loadings could be very different even though there is no strain-rate effect of matrix material. A power-law relation between the initial crush stress and the strain rate is explored to describe the strain-rate effect on the initial crush stress of irregular honeycomb when the local strain rate exceeds a critical value, below which there is no strain-rate effect of irregular honeycomb. Deformation mechanisms of the initial crush behavior under dynamic loadings are also explored. The deformation modes of the initial crush region in the front of plastic compaction wave are different under different dynamic loadings.     

High-strain-rate compressive behavior of a rigid polyurethane foam with various densities

The dynamic compressive stress-strain behavior of a rigid polyurethane foam with four values of density (78, 154, 299, and 445 kg/m³) has been determined in the strain-rate range of 1000–5000 s⁻¹. A pulse shaping technique was used with a split Hopkinson pressure bar to ensure homogeneous deformation in the foam specimens under dynamic compression. Dynamic stress equilibrium in the specimen was monitored during each experiment using piezoelectric force transducers mounted close to the specimen end-faces. Quasi-static experiments were also performed to demonstrate rate effects. Experimental results show that both the quasistatic and the dynamic stress-strain curves of the foam exhibit linear elasticity at small strains until a peak is reached. After the peak, the stress-strain curves have a plateau region followed by a densification region. The peak stress is strain-rate sensitive and depends on the square of the foam density.     

三种加载方向下云杉静动态力学性能研究

利用INSTRON和Hopkinson压杆对含水率为12.72%, 密度为413kg/m^{3}云杉木材试件沿顺纹、横纹径向和横纹弦向进行准静态和动态压缩实验, 获得了云杉木材3个方向的抗压模量、准静态压缩应力应变曲线和3种应变率下的动态应力应变曲线. 结果表明云杉木材沿顺纹方向加载破坏形式表现为木材纤维轴向屈曲、褶皱; 横纹径向和弦向加载失效行为表现为木材纤维间的滑移破坏. 云杉顺纹方向抗压弹性模量最大, 分别约为横纹径向抗压弹性模量的21倍和横纹弦向抗压弹性模量的32倍; 横纹径向和弦向准静态压缩屈服应力基本相等, 试件沿顺纹方向准静态压缩屈服应力约为横纹径向和弦向屈服应力的9倍; 动态压缩屈服强度具有率敏感性, 在应变率为500-1000s^{-1}动态压缩实验中顺纹、横纹径向和弦向动压屈服强度均随着应变率的增加而显著提高. 同时对不同方向压缩下木材胞壁失效行为进行了理论分析, 表明产生完全压缩失效的平均极限载荷与胞壁屈服强度、胞元结构和产生的褶皱长度相关.      

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。     

闭孔泡沫金属变形模式的有限元分析

运用有限元软件ABAQUS/Explicit模拟了三维Voronoi闭孔泡沫金属在不同的冲击速度下的变形行为。随着冲击速度的提高,得到了3种变形模式:准静态均匀模式、过渡模式和冲击模式,并以相对密度和冲击速度为坐标建立了变形模式图。引入应力均匀性指标和变形局部化指标,确定了模式转化的临界速度,并与已有的冲击速度预测公式进行了比较。根据临界速度的数值和理论结果,提出了一种确定锁定应变的方案,结果介于压实应变和完全密实应变之间。     

MDYB-3有机玻璃在不同应变率下的一维屈服行为

对MDYB-3有机玻璃进行了多组不同应变率(10-3~3 000 s-1)下的压缩实验, 得到准静态下的屈服应力与动态下的峰值应力。沿其增强与面内2个方向进行准静态压缩实验, 以分析定向拉伸对屈服应力的影响, 修正了Ree-Eyring模型与Cooperative模型以描述定向有机玻璃的屈服行为。采用Johnson-Cook模型描述屈服后的黏塑性行为。结果表明Cooperative屈服模型比Ree-Eyring屈服模型更接近实验结果, 且能准确描述准静态屈服应力。动态压缩下的峰值应力为失效应力, 说明试样在1 500 s-1以上应变率下未达到屈服应力时已经发生破坏。Johnson-Cook模型对于单条曲线拟合良好, 但无法准确描述材料的应变率相关性。     

酚醛层压材料的冲击力学行为及本构模型

为了研究酚醛层压材料的冲击力学行为并获得本构模型,利用万能试验机和整形修正的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对材料试样进行了应变率范围为10-3~103 s-1的单轴压缩实验,得到了不同加载应变率下的应力应变曲线,对其在准静态、动态载荷下的压缩破坏机理进行了初步探讨。结果表明,酚醛层压材料具有较强的应变率效应,与准静态(1.67×10-3 s-1)时相比,在动态载荷(7×102 s-1)下,峰值应力增加了约10倍;破坏应变减少了约一半;在准静态和动态加载条件下试样力学性能的差异是由于纤维基体界面特性以及不同应变率下破坏模式的不同;采用朱-王-唐本构方程描述了酚醛层压材料力学行为,拟合得到了本构方程的系数,在加载过程中,理论计算值与实验结果吻合较好。