单轴应变：本构关系——它的内容、方法和意义

论述了单轴应变加载下固体中偏应力的基本含义和偏应力在本构关系研究中的意义。指出了加载-卸载波剖面测量在本构关系研究中的重要作用。建立了测量金属材料在平面冲击压缩下的剪切模量的基本方法,对表征固体材料弹性特性的剪切模量在冲击压缩状态下的物理含义做出了解释。根据剪切模量的一般性定义,建立了描写受冲击材料的准弹性-塑性卸载特性的有效剪切模量与纵波声速和横渡声速的关系。通过同时测量受冲击材料中的追赶稀疏波速度和波后粒子速度,获得了LY12铝在20～110GPa冲击压力和无氧铜在41～104GPa冲击压力下的声速和剪切模量,以及从冲击压缩状态卸载时沿着准弹性卸载路径的声速和有效剪切模量。 对目前广泛使用的描写单轴应变下固体材料的加载-卸载响应特性的SCG本构模型进行了分析,指出该本构关系的局限性,认为这种本构关系原则上不能用来描写受冲击材料的卸载过程。根据LY12铝和无氧铜的实验研究结果,对SCG本构关系中的剪切模量方程进行修正,讨论了修正的物理含义。修正后的方程与实验测量结果符合很好,在此基础上提出新的加载本构方程。 根据铝和铜沿着准弹性卸载路径的声速测量结果,提出了描写受冲击压缩固体的准弹性卸载的有效剪切模量方程和相应的屈服强度方程。建立了单轴应变下包含加载-卸载过程的新的本构方程。根据本文的实验测量结果,给出了铝合金和无氧铜卸载本构方程的解析形式,确定了相关参数。 依据文中提出的加载本构和卸载本构方程,对实验测量的6发LY12铝的波剖面、美国5发6061-T6铝合金的加载-卸载波剖面及冲击波衰减数据,进行了数值模拟计算和预测。计算中采用与本文测量相同的卸载本构参数,计算结果与实验结果符合很好,再现了这些波剖面的准弹性-塑性卸载行为和冲击波衰减行为。对3发无氧铜波剖面的计算模拟,也获得了令人满意的结果。 最后,从现象学出发,对发生在冲击波阵面内的弹-塑性屈服过程进行了分析,对固相区冲击波后材料的状态不在屈服面上的原因进行解释。     

基于数字散斑相关法的紧凑拉伸试样断裂韧性实验研究

本文采用数字散斑相关方法对2A12T4铝合金紧凑拉伸试样的断裂韧性进行了实验研究。应用数字散斑相关方法计算了实验过程中试样的应变场、应力场以及位移场。针对实验所得的结果以及紧凑拉伸试样的裂纹特征,采用了矩形积分路径。选择沿裂纹方向和垂直裂纹方向的J积分路径,并且推导出各方向上J积分的数值计算公式。根据推导得到的公式选择不同的积分路径进行J积分的计算,得到了断裂韧性J0积分路径的合理选择范围,同时验证了J积分的路径守恒性。然后根据所得的路径选择标准,选择合理的积分路径,计算出2A12T4铝合金断裂韧性J0的值。将所得结果与国标计算的J0值对比,误差为1.22%,说明了此种方法的正确性。从而为数字散斑相关方法在紧凑拉伸试样断裂韧性的测试研究中提供参考。     

斜波压缩下锡的相变和层裂行为

获取不同热力学路径下锡的动态响应实验数据,是深入研究其相变和损伤物理过程的基础.利用小型磁驱装置CQ-4完成了金属锡的斜波加载实验,获取了锡含有相变和层裂损伤物理信息的实验数据.实验结果显示,在加载段锡依次经历了弹塑性转变和β-γ相变两种物理过程,屈服强度约0.194 GPa,相变压力随着锡厚度的增加从7.54 GPa减小到7.14 GPa.在卸载段出现了明显的层裂损伤,层裂强度约1.1 GPa,与相同加载压力下冲击实验结果有巨大差异,层裂片厚度约0.38 mm.结合由锡的多相Helmholtz自由能计算的多相状态方程、Hayes相变动力学方程和损伤度理论,对斜波压缩实验过程进行一维流体动力学数值模拟,计算结果可以很好描述锡的弹塑性转变、相变和层裂三个物理过程.     

金属铅在斜冲击波对碰加载下动态行为的数值模拟

高强度冲击加载作用下金属材料的动态物理行为是当前冲击波领域基础研究和工程应用最为关注的焦点。采用光滑粒子法(SPH)开展不同位置起爆诱发的斜冲击波对碰加载金属铅的二维数值模拟研究,得到了金属铅内入射斜冲击波的角度和强度,并利用极曲线方法理论上导出发生马赫反射时的临界入射角和入射马赫数关系。根据计算结果可知,金属铅内入射斜波对碰后将发生马赫反射。随着起爆位置与金属铅表面距离的增加,不仅金属铅内入射冲击波强度和入射角增加,而且形成的马赫杆宽度也在增加。由自由面速度剖面给出了马赫杆宽度及张角,结果与理论预测的结果吻合较好。     

一种新的高应变率复合压剪实验技术

提出了一种新的基于Hopkinson杆实验技术的在102~103s-1高应变率下实现压剪复合加载的实验装置,并给出了相应的理论分析和数值模拟。为了获取材料在复杂应力下的本构关系,借助斜飞片冲击实验的思想,对Hopkinson杆进行改造,将入射杆的末端改进为截锥形,以便在试样中同时产生压缩和剪切应力。利用有限元分析软件LS-DYNA对试样中的应力波传播进行模拟计算,并利用改进装置进行了初步实验。计算和分析结果表明,利用所设计的装置可以实现对试样的动态压剪复合加载,获得材料在高应变率复杂应力加载下的本构响应,进而建立材料在复杂应力状态下本构行为的描述。     

基于“钉床型”飞片的斜波加载技术及应用

为了实现斜波加载,设计了一种“钉床型”广义波阻抗梯度飞片,即在基座上密排叠加许多小圆锥,简称“钉床型”飞片。该飞片采用激光选区熔化金属增材制造技术进行制备。利用一级轻气炮加载装置和全光纤激光位移干涉测试系统,开展不同工况下“钉床型”飞片高速击靶压缩实验和层裂实验,重点讨论小圆锥高度和撞击速度对斜波压缩加载波形的影响规律,以及斜波加载对不锈钢靶板层裂特性的影响。实验结果显示:（1）“钉床型”飞片对靶板产生的压缩是逐步的,从自由面速度剖面上观察到压缩波上升前沿时间被显著延长,形成了斜波波阵面,明显不同于冲击压缩的陡峭波阵面;（2）在飞片击靶速度近似恒定条件下,斜波波阵面的上升沿时间、平台速度峰值都明显依赖于“钉床型”飞片上的小圆锥高度,随着小圆锥高度增大,上升沿时间呈线性增大,而平台速度峰值呈线性减小;（3）在“钉床型”飞片的几何尺寸保持不变的条件下,斜波波阵面的上升沿时间随着飞片击靶速度的增大而线性减小,平台速度峰值则线性增大;（4）与冲击加载相比,“钉床型”飞片产生的斜波加载不会对材料的层裂强度产生明显影响,但对材料内部损伤演化速率有一定的影响。     

斜波压缩下HMX晶体的弹塑性行为

开展了（010）、（011）晶向HMX晶体的斜波压缩实验,获得了约15 GPa压力下的速度响应剖面。实验结果表明,HMX单晶存在明显弹塑性转变行为,且速度波形有下降趋势,这是材料的黏性效应导致,材料的弹性极限随着样品厚度增加而变化,不同晶向的材料动力学特性存在差异。结合Hobenemser-Prager黏弹塑性本构关系和三阶Birch-Murnaghan物态方程开展了HMX晶体斜波压缩物理过程的数值模拟,计算结果可以很好地描述HMX晶体的弹塑性转变这一物理过程。     

含孔正交各向异性复合材料板的动应力集中

运用一种改进的非结构化四边形格子法,对含孔正交各向异性板条受面内冲击拉伸时弹性应力波的传播过程和孔边的动应力集中进行了研究．非结构化格子法采用与有限元类似的网格剖分方法,并基于围绕每个节点的积分平衡方程,并自然满足复杂边界的自由边界条件．计算中不需存储刚度矩阵,因而计算速度快、效率高、节省内存,在解决应力波传播问题中具有显著的优越性．通过对多种工况进行数值模拟,分析了材料的各向异性性质、纤维方向、孔径比、加载脉冲周期等参数对孔边动应力的影响,得到了一些规律性的结果．并与现有实验结果进行对比,验证了该方法的有效性．     

Mg-W体系密度梯度飞片复杂加载实验的计算分析

采用弹塑性流体动力学计算方法对Mg-W体系密度梯度飞片复杂加载实验进行计算设计,考虑到飞片材料制备中单层厚度值和Mg-W最大阻抗混合质量百分数的致密条件限制, 提供12层Mg-W体系飞片的制备参数. 采用研制的梯度飞片在气炮上进行冲击加载-准等熵加载实验, 给出了飞片和LiF窗口界面处速度剖面的VISAR或DISAR实验测试结果, 并通过数值计算对实验数据进行对比, 对出现的异常现象进行了分析和实验验证, 提出以Mg-Cu为飞片材料体系的建议, 为后续深入开展可控加卸载路经和可控加卸载速率的实验研究奠定了基础.      

反向起爆模型下的冲击波加载

为了实现对大尺寸材料试件的动态加载,得到与轻气炮加载应力波相同的爆炸加载冲击波,基于叠加原理,提出了利用炸药反向起爆模型完成对可压缩固体材料的冲击波加载。通过联立爆炸产物和可压缩流体的速度-压力曲线以及综合考虑炸药和材料试件各自由边所受稀疏波干扰的情况,从理论上给出了冲击波压力和冲击波加载平台宽度的计算方法。并结合数值模拟,对理论分析结果进行了验证,两者基本一致。     

基于气炮实验的PTFE/Al复合材料冲击反应阈值

基于16 mm口径气炮撞击实验,对铝颗粒增强的聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)/Al(PTFE/Al)冲击反应复合材料的冲击反应阈值开展了研究。为研究不同撞击加载条件下应变率和碰撞应力对PTFE/Al冲击诱发反应的影响,实验中采用铝、钢和低密度聚乙烯(low density polyethylene, LDPE)这3种不同材料的靶板及不同长度的试样,进行不同加载条件下的测试分析。实验结果显示,PTFE/Al材料的冲击诱发同时受到碰撞压力和加载应变率的影响。同时,通过对试样撞靶过程进行数值模拟,并与实验和理论结果进行对比。基于实验数据,拟合出PTFE/Al材料冲击反应的的预测曲线。     

压剪联合冲击下K9玻璃中的失效波

对K9玻璃进行了冲击速度为150~400 m/s,倾斜角为10、15的纵剖试样斜撞击实验。结果表明，在加载剪切横波(S+)和卸载纵波(P-)之间有波速超过了纵波波速的波阵面存在，此波的存在对卸载纵波和卸载横波的幅值有一定的影响。由于失效波的产生与材料的表面性质密切相关，为消除纵剖试样中间界面的影响，模拟VISAR的实验条件，进行了冲击速度为70~300 m/s、倾斜角为10的横剖试样斜撞击实验。可以确定在此冲击范围失效波的波速在0.98~1.4 km/s，产生失效波的临界状态为:压应力0.86~1.01 GPa，对应剪应力0.053~0.071 GPa。表明剪应力的存在极大降低了失效波产生的阈值。在此基础上初步分析了撞击面的动摩擦因数和相对滑移速度。     

递进式凸轮加载的中等应变率实验技术

研制了一种可以实现多次加载的凸轮递进式中应变率压缩实验系统。该实验装置采用伺服电机驱动蓄能飞轮转动，后蓄能飞轮带动加载凸轮压缩加载杆的方法，实现对试样中应变率的压缩；同时在一级压缩即将结束时步进电机迅速推动蓄能飞轮贴近加载凸轮，实现多级压缩。试样的动态压缩载荷通过两侧杆上粘贴的应变片所记录的应变信号得到；试样变形过程通过激光干涉测速系统测得的试样两侧杆端的运动速度信号得到。以纸蜂窝试样为例，基于研制的中应变率实验系统，并结合高速摄影图片，研究了厚度10 mm、直径14.5 mm的纸蜂窝试样在应变率3.5 s^-1下的动态压缩力学性能，得到了单级压缩和两级压缩过程中纸蜂窝试样的应力-应变曲线和变形过程，并讨论了该实验系统的可靠性。此实验系统可以实现多级递进式中应变率加载；纸蜂窝试样在中等应变率下的峰值强度和平台应力对高应变率下的动态压缩实验数据和低应变率下的准静态实验数据进行了较好地衔接；试样的失效模式主要为准弹性变形后的外壁屈曲和面内剪切。     

缺口膨胀环实验的设计分析与数值模拟

提出并设计了用于研究材料在冲击拉伸加载下损伤演化过程的缺口膨胀环实验。通过数值模拟研究了缺口膨胀环的拉伸加载历程。研究表明,缺口膨胀环各位置经历拉伸加载时间的长度由其与缺口之间的距离决定,但加载时间长度不能简单按Mott卸载波的传播时间来估计,需要借助膨胀环各位置的速度历史来确定。     

带窗口准等熵压缩实验的流场反演技术

在一维拉格朗日平面准等熵压缩流体力学的基础上,建立了带窗口准等熵压缩实验流场反演方法,给出了界面处压力历史的求法,编制了实现流场反演技术的程序,并与一般流体力学计算进行了比较;对Z575号实验给出的界面速度历史进行了反演计算,给出了的Al 6061-T6等熵压缩线。     

基于FDM-DEM耦合的冲击损伤大理岩静态断裂力学特征研究

为探究循环冲击损伤后大理岩的静态断裂力学特征,基于有限差分（finite difference method,FDM）-离散元（discrete element method,DEM）耦合的建模技术构建了三维分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）数值模型,其中杆件系统和岩石试件分别采用FLAC3D和PFC3D程序建模。利用该模型对中心直切槽半圆盘（NSCB）试样进行了恒定子弹速度下的循环冲击,随后对受损试样进行静态三点弯曲断裂实验。通过编写Fish程序,提取试样断裂面数据,对断裂面进行重构并定量计算表面粗糙度。通过与相关室内实验结果的对比分析,验证了本文数值分析的合理性与可靠性。模拟结果表明,随着循环冲击次数的增加,试样内部微裂纹、破碎颗粒均增加。连接力场分布混乱,部分力链发生断裂。力链的变化是试样力学性能劣化的根本原因。在静态三点弯曲断裂实验中,冲击5次后试样的静态断裂韧度较天然试样产生一定程度的降低。试样在静载过程中产生的微裂纹和碎块的数量随循环冲击次数的增加而增加,断裂面粗糙度随循环冲击次数的增加而增加。     

An elasto-plastic damage constitutive theory and its prediction of evolution of subsequent yield surfaces and elastic constants

Based on pair functional potentials, Cauchy-Born rule and slip mechanism, a material model assembling with spring-bundle components, a cubage component and slip components is established to describe the elasto-plastic damage constitutive relation under finite deformation. The expansion/shrink, translation and distortion of yield surfaces can be calculated based on the hardening rule and Bauschinger effect defined on the slip component level. Both kinematic and isotropic hardening are included. Numerical simulations and predictions under tension, torsion, and combined tension-torsion proportional/non-proportional loading are performed to obtain the evolution of subsequent yield surfaces and elastic constants and compare with two sets of experimental data in literature, one for a very low work hardening aluminum alloy Al 6061-T6511, and another for a very high work hardening aluminum alloy annealed 1100 Al. The feature of the yield surface in shape change, which presents a sharp front accompanied by a blunt rear under proportional loading, is described by the latent hardening and Bauschinger effect of slip components. Further, the evolution law of subsequent yield surfaces under different proportional loading paths is investigated in terms of their equivalence. The numerical simulations under non-proportional loading conditions for annealed 1100 Al are performed, and the subsequent yield surfaces exhibit mixed cross effect because the kinematic hardening and isotropic hardening follow different evolution tendency when loading path changes. The results of non-proportional loading demonstrate that the present model has the ability to address the issue of complex loading due to the introduction of state variables on slip components. Moreover, as an elasto-plastic damage constitutive model, the present model can also reflect the variation of elastic constants through damage defined on the spring-bundle components.     

SHPB加载下PTFE/Al冲击反应的临界条件

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）加载方法和高速摄影技术,对混合压制烧结法制备的铝颗粒增强聚四氟乙烯复合材料（polytetrafluoroethylene/Al,PTFE/Al）的冲击反应临界条件进行研究。实验中采用钢杆、铝杆和不同尺寸的试样,进行不同加载条件下的测试,实验结果表明:PTFE/Al复合材料的冲击反应过程主要可分为变形、碎裂、反应阶段,其冲击反应临界同时关联于应力和应变率。并基于实验获得了PTFE/Al复合材料的冲击反应临界渐进线应力和应变率,通过对实验数据的归纳和分析,初步提出实验条件下关联应力和应变率的PTFE/Al临界反应关系式,获得冲击反应阈值预测曲线。     

内爆磁压缩准等熵加载过程分析与实验验证

利用磁流体力学程序SSS-MHD模拟了炸药柱面内爆磁通量压缩发生器CJ-100装置的加载过程,讨论了各项装置参数的影响,结果表明装置可达到的峰值磁场值与初始磁场值成反比关系。设计了铁/铜夹层结构的样品靶,在该型装置上开展纯铁的准等熵加载实验。利用光子多普勒测速探头测量到6.43 km/s的样品靶自由面速度,在DT4铁中获得206 GPa的准等熵加载压力。铁材料的压力-比容曲线与理论等熵线基本重合,表明内爆磁压缩加载过程具有较高的等熵程度。     

RDX基含铝炸药爆轰波结构实验研究

为了获得含铝炸药爆轰反应区附近铝粉的反应情况,对两种RDX/Al炸药和一种RDX/LiF炸药的爆轰波结构进行了测量。实验过程中,利用火炮加载产生一维平面波,通过光子多普勒测速仪测量炸药/LiF窗口的界面粒子速度。结果表明:含铝炸药爆轰波的结构与理想炸药的差异较大,其界面粒子速度曲线没有明显的拐点;反应初期,由于气相产物与添加物之间温度的非平衡性,RDX/Al界面的粒子速度低于RDX/LiF炸药的;随后,由于铝粉反应放能,RDX/Al界面的粒子速度高于RDX/LiF炸药的;微米尺度铝粉在CJ面前几乎不发生反应;2、10 μm等两种粒度铝粉的反应延滞时间小于0.8 μs;在本文中,两种粒度铝粉的反应度为16%~31%。