不同尺寸砂岩动态力学性质和应力平衡性的试验研究

采用大直径分离式霍普金森压杆系统获得的不同尺寸试样的实验冲击动态力学参数有差异,因此在直径100 mm压杆上进行了3种直径（50、75和100 mm）和5种长径比（0.4、0.5、0.6、0.8和1.0）的砂岩试样冲击试验,分析了不同尺寸试样应力-应变曲线和应变率曲线随尺寸的变化,提出了用于比较波形对齐重合度的波形叠加系数,并与应力平衡因子共同构建了动态应力平衡性研究体系,由此确定大直径霍普金森压杆试验的试样建议尺寸。同时,利用高速摄影机监测试样的动态破坏状况。结果表明:当长径比相同时,直径75与100 mm岩石试样的动态抗压强度测试值相近,直径50 mm试样具有更明显的长度效应;随着试样直径的增大,应变率曲线从单峰变为双峰;小尺寸试样更易发生轴向劈裂破坏,大尺寸试样受内部应力波叠加影响产生了较大的拉应力,易发生层裂拉伸和轴向劈裂的复合型破坏;对直径75 mm且长径比0.3~0.4的试样,波形对齐后重合度较高,在起始破坏前拥有充足的应力平衡时间,应变率加载效果较好。获得了砂岩试样冲击压缩试验的尺寸效应,可为大直径岩石试样的尺寸选择提供参考。     

滑轨导向式静/动态双轴拉伸实验技术

基于液压伺服高速加载系统,发展了一种材料双轴拉伸力学性能测试技术。利用锥面接触导向驱动方法,把加载锤竖直方向的驱动力转化为水平方向的双轴驱动力,从而实现对十字形试样平面双轴加载。借助有限元数值模拟手段优化了锥面接触角和十字形试样尺寸。当接触锥角为45°时,既有较好的水平驱动转化效率,同时又保持较小的接触力,确保水平驱动加载各组件在弹性变形范围内,可多次重复使用。确定了加载臂狭缝个数、狭缝与减薄区边缘长度和标距段厚度等试样设计关键参数,在十字形试样测试标距段内实现了均匀变形。设计了测力夹持一体化导杆和非接触光学全场应变测试系统,准确获得了试样的应力和应变。利用此平面双轴拉伸加载装置,开展2024-T351铝合金板单轴拉伸实验和激光探测同步性验证实验,验证装置设计的可行性;开展铝合金板材在不同加载速率下的双轴拉伸实验,得到在双轴加载下铝合金板材应力应变曲线,并与单轴加载下实验结果进行了对比分析。     

动态拉伸试验中试样应变测试的有效性分析

为了评估将试样通过胶粘连接到加载杆的Hopkinson杆装置所获得试样应变的有效性,对四种强度刚度差异较大的纤维增强复合材料进行了动态拉伸试验。试验时,试样通过环氧胶和杆夹层粘接,试样的应变分别按照Hopkinson杆一维应力波理论计算和试样上应变计直接准确测量得到。结果证明：对小变形碳纤维复合材料,按一维应力波理论计算的应变与试样上直接所测应变值偏差超过100%;对较大变形的GFRP和KFRP层合板,两者偏差小于40%。说明采用Hopkinson杆一维应力波理论计算的试样应变不准确。为修正不准确性,一是通过大量数据分析建立按一维应力波理论计算值与直接测量应变之间的关系式,用此式可使此试验装置获得有效的试样应变;二是借助ABAQUS有限元模拟分析得出粘胶层以及试样过渡弧段的变形,用一维应力波理论计算的应变减去此变形,也可获得有效的试样应变。     

混凝土SHPB束杆装置冲击实验的数值仿真

利用Ansys/Ls-dyna有限元软件模拟不同打击气压下混凝土SHPB束杆实验,对实验装置模型进行了简化;采用梯形应力脉冲载荷,模拟得到了实验中试件的应力-应变曲线。结果显示:模拟结果与实验结果吻合较好,验证了该方案的可行性;同时试样应力峰值随打击气压增大而增大。对不同幅值梯形应力脉冲加载下的SHPB束杆装置和单杆装置实验进行数值仿真,研究表明:束杆装置中试样应力峰值比单杆装置小一些;随应力脉冲载荷幅值增大,束杆装置中试样应力峰值增长速度要高于单杆装置。     

数字图像相关法测量局域变形场中形函数和模板尺寸的影响

数字图像相关法测量均匀变形场已被普遍接受, 其测量结果可与应变片测量结果比较. 然而, 在工程测量中, 针对局域变形场(应变高度集中, 如波特文-勒夏特利埃带、试件缺口附近和裂纹尖端等), 应变片受限于其尺寸, 其测量结果是接触面内的平均应变值. 此时, 采用数字图像相关法能够测量这些局域变形场. 但形函数和模板尺寸等计算参数对计算结果影响很大, 这也导致使用者很难判断计算结果的可靠性. 论文通过对合金拉伸实验获得的不同应变梯度的波特文-勒夏特利埃带和模拟生成的带的计算分析, 发掘了形函数和模板尺寸作用于计算结果的深层机制, 证明了二阶形函数比一阶形函数更适用于高度非均匀的局域变形场. 提出了在局域应变场测量中, 当一阶和二阶形函数计算结果的相对误差小于10% 时, 二阶形函数的结果是可靠的判据.      

软硬互层状岩石类材料双轴压缩蠕变特性试验研究

自然界中广泛分布的复合层状岩体，具有显著的结构不连续性、非均质性和各向异性特征。为揭示软硬互层状岩体在双轴压缩下的蠕变特征，采用相似模型试验，制作软硬互层状岩石类试样，开展了3种不同侧向应力水平条件下平行于层理方向的轴向分级加载双轴压缩蠕变试验，并利用数字图像相关技术(DIC)进行了试样表面变形观测。研究发现，软硬互层状岩石类材料的蠕变包括减速蠕变、等速蠕变、加速蠕变3个阶段，且减速蠕变阶段与等速蠕变阶段占比较大，而加速蠕变阶段占比较小；随着侧向应力的增加，试样的蠕变破坏强度逐渐降低，而蠕变应变增加率随之增加；应力水平差异对试样蠕变特征有着显著的影响，当侧向应力相同时，随着轴向应力的增加，轴向应变也随之增加；当轴向应力相同时，轴向应变与侧向应变随着侧向应力的增加先减小后增大。试验过程中，利用DIC技术监测试样表面变形，发现当侧向应力水平较低时，试样的轴向应变主要取决于硬岩层，而当侧向应力水平超过软岩抗压强度后，软岩层内部裂纹的产生会导致试样宏观破坏提前发生。上述研究结果可为软硬互层状岩体工程建设及围岩长期稳定性分析提供理论参考。     

不同加载状态下TA2钛合金绝热剪切破坏响应特性

一般认为绝热剪切现象在宏观上表现为材料动态本构失稳,即热软化大于应变硬化.本文采用帽型受迫剪切试样研究TA2钛合金的动态力学特性和本构失稳过程.首先对剪切区加载应力状态进行理论和数值分析,通过合理设计帽型试样,剪切区变形可近似按剪切状态处理;结合二维数字图像相关法(two-dimensional digital image correlation,DIC-2D)直接测试试样剪切区应变演化,给出帽型受迫剪切实验的等效应力-应变响应曲线.进一步,利用Hopkinson压杆对TA2钛合金开展动态压缩及帽型剪切对比试验研究,比较压缩、剪切试验得到的等效应力-应变曲线,采用"冻结"试样方法分析试样中绝热剪切局域化演化过程,探讨不同加载状态下TA2钛合金的绝热剪切破坏现象及其动态力学响应特性.实验结果表明,在塑性变形初始阶段,动态压缩及剪切加载下的等效应力-应变曲线符合较好,但随塑性损伤发展及绝热剪切带形成,两者出现分离,表明损伤及绝热剪切演化过程与应力状态相关.剪切试样实验得到的本构"软化"特性能够反映绝热剪切带起始、破坏演化过程的力学响应特性,而在动态压缩实验中,即使试样中已出现双锥形的绝热剪切带及局部裂纹分布,其表观等效应力-应变曲线并不出现软化特征,动态压缩实验无法得到关于绝热剪切起始、发展以及破坏的本构软化响应特性.     

基于ANN-GA协同寻优的动态拉伸试样尺寸优化方法

材料动态拉伸力学性能测试中,动态拉伸试样的几何尺寸对测试结果的准确性与有效性有着较大影响。为对动态拉伸试样的结构进行优化设计,以使其在动态拉伸过程中更好地满足一维应力与变形均匀等基本假设。首先,建立了量化的试样测量准确度指标,即应力平衡达到时间、变形均匀度、非轴向应力相对水平、过渡段相对变形。然后,对试样结构参数进行正交试验设计,通过数值模拟的方法得到了关于试样尺寸与测量准确度指标的正交试验数据库,并对正交试验数据库进行多目标正交试验矩阵分析,得到了试样结构参数对各测量准确度指标影响的主次顺序和规律。最后,以正交试验数据库为训练集,采用人工神经网络（artificial neural network, ANN）协同遗传算法（genetic algorithm, GA）的全局寻优方法对试样的结构尺寸进行优化设计,得到了试样的最优结构尺寸,并对最优尺寸的有效性进行了验证。结果表明,优化后的试样结构在材料动态拉伸力学性能测试精度上的表现明显得以提升。因此,采用ANN-GA协同优化的方法对动态拉伸试样的结构进行优化具有可行性和有效性。     

花岗岩在SHPB冲击破坏实验中最低加载应变率的杆径效应

基于Steverding-Lehnigk脆性断裂准则,分析了半正弦应力波加载条件下SHPB杆径尺寸与导致花岗岩试样单次冲击破坏对应的最低应变率之间的关系。采用杆径分别为22、36、50和75 mm的SHPB实验系统对相应尺寸规格的花岗岩试样进行了应变率从高到低的冲击实验,讨论了花岗岩试样在单次冲击破坏情形下对应的最低应变率与实验杆径的相关性。理论和实验结果表明:岩石试样的最低加载应变率随着SHPB杆径的增大而以乘方关系减小,但当应变率低到100 s-1量级时,Hopkinson杆径已超过100 mm,增大Hopkinson杆径降低加载应变率的效果不再明显。     

混凝土断裂过程及尺寸效应分析

为研究混凝土裂纹断裂过程和最大承载力计算方法,通过实验机对四种不同尺寸混凝土紧凑拉伸断裂试件进行了加载过程实验,并对其中一个试件进行应变片跟踪测试.由实验结果分析得到了一系列关系曲线,如试件的载荷-加载点位移关系曲线,断裂损伤区变形随载荷变化曲线;并且计算了不同尺寸断裂试件的应力强度因子.结合计算粘聚裂纹应力强度因子的公式与断裂准则,完成了对承载力理论值的计算,并将其与实验峰值平均值进行对比,其结果是两者相比误差较小,表明此种计算裂纹结构最大承载力方法是可行的.     

试样形状对轴承钢绝热剪切带微观组织的影响

绝热剪切带(ASB)的微观组织受试样几何形状的影响。对圆柱、帽形和剪切压缩型三种不同形状的试样进行分离式霍普金森压杆高速冲击试验，研究试样形状对轴承钢绝热剪切带的形成和微观组织的影响。结果表明，在应变率为1 800～3 100 s^-1的范围内，材料对应变率的敏感性很低。圆柱试样呈现明显的应变硬化，而帽形试样和剪切压缩型试样(SCS)在不同应变率下分别出现应变硬化和无应变硬化的特征，但流变应力并未因应变硬化而提高。试样形状对ASB的微观形貌和组织有很大影响。圆柱试样上产生了窄且细长的ASB，只发生了应变诱发的晶粒细化，属于形变ASB；帽形试样和SCS则形成大片状的ASB，由等轴晶组成，且发生了体心立方体(BCC)马氏体转变为面心立方体(FCC)奥氏体的相变，属于相变ASB。尤其是SCS中ASB的等轴晶，有非常清晰的晶界，是典型的动态再结晶晶粒。温升计算结果显示，圆柱试样ASB的温升远低于奥氏体相变温度，而帽形试样和SCS的温升高于马氏体的熔点，导致局部熔融。     

预制裂缝宽度对HCFBD试件确定岩石断裂韧度的影响

为了考察人工预制裂缝宽度对确定岩石断裂韧度的影响,采用大理岩制作了含有不同预制裂缝宽度的中心圆孔裂缝平台巴西圆盘试件(hole-cracked flattened Brazilian disc, HCFBD),在RMT150B试验机上进行试验,对不同预制裂缝宽度圆盘的应力强度因子进行有限元计算,并对测试方法进行了研究。结果表明,采用将预制裂缝宽度视作零宽度裂缝方法确定的断裂韧度值偏低,给出了一种采用最小载荷和最大无量纲应力强度因子确定岩石断裂韧度的新方法,该方法能够消除预制裂缝宽度对圆盘试件测定岩石断裂韧度的影响。     

921A钢纯剪切帽状试件在SHPB实验中的动态变形

应用ANSYS/LS-DYNA软件,开展了一系列基于921A钢纯剪切帽状试件的SHPB数值模拟.结合SHPB系统应力波理论,研究不同加载速率v0(或应力脉冲I(t))下,特别是高应变率(约106 s-1)下的压杆轴向应变波形以及相应的试件动态变形特性,并对高速撞击下压杆中应变波形的适用性作了相关讨论.     

Effects of deformed volume, volume fraction and particle size on the deformation behaviour of W/Cu composites

Tungsten/copper (W/Cu) particle reinforced composites were used to investigate the scaling effects on the deformation and fracture behaviour. The effects of the volume fraction and the particle size of the reinforcement (tungsten particles) were studied. W/Cu-80/20, 70/30 and 60/40 wt.% each with tungsten particle size of 10 μm and 30 μm were tested under compression and shear loading. Cylindrical compression specimens with different volumes (D_S = H) were investigated with strain rates between 0.001 s⁻¹ and about 5750 s⁻¹ at temperatures from 20 °C to 800 °C. Axis-symmetric hat-shaped shear specimens with different shear zone widths were examined at different strain rates as well. A clear dependence of the flow stress on the deformed volume and the particle size was found under compression and shear loading. Metallographic investigation was carried out to show a relation between the deformation of the tungsten particles and the global deformation of the specimens. The size of the deformed zone under either compression or shear loading has shown a clear size effect on the fracture of the hat-shaped specimens.The quasi-static flow curves were described with the material law from Swift. The parameters of the material law were presented as a function of the temperature and the specimen size. The mechanical behaviour of the composite materials were numerically computed for an idealized axis-symmetric hat-shaped specimen to verify the determined material law.     

帽型试样动态绝热剪切破坏演化分析

利用分离式霍普金森压杆加载Ta2钛合金扁平闭合帽形受迫剪切试样,结合数字图像相关法和“冻结”试样的微观金相观察,研究剪切区剪切应变的演化、绝热剪切带形成条件等。结果显示：受迫剪切试样在动态加载过程,剪切区剪切应变不断集中,形成绝热剪切带,裂纹沿绝热剪切带发展;随加载率提高,绝热剪切起始临界应变减小;进一步利用数字图像相关法DIC场应变分析及金相微观观测对比,利用卸载回复特性对绝热剪切带起始临界条件进行了讨论,计算的绝热剪切带起始时温升仅为86℃。材料软化可能不是绝热剪切带起始的控制条件,相反是由于绝热剪切带形成造成的应变高度集中发展导致温度急剧升高。     

Geometric functions of stress intensity factor solutions for spot welds in U-shape specimens

In this paper, the stress intensity factor solutions for spot welds in U-shape specimens are investigated by finite element analyses. Three-dimensional finite element models are developed for U-shape specimens to obtain accurate stress intensity factor solutions. In contrast to the existing investigations of the stress intensity factor solutions based on the finite element analyses, various ratios of the sheet thickness, half specimen width, half specimen length, and corner radius to the nugget radius are considered in this investigation. The computational results confirm the functional dependence on the nugget radius and sheet thickness of Zhang’s analytical solutions. The computational results provide a geometric function in terms of the normalized half specimen width, normalized half specimen length, and normalized corner radius to Zhang’s analytical solutions. The computational results also provide a geometric function in terms of the aspect ratio of the specimen to complete Lin and Pan’s analytical solution. Finally, based on the analytical and computational results, the dimensions of U-shape specimens are suggested.