端面摩擦效应对两种含能材料破坏特征的影响

针对Comp.B、PBX-HMX(97%)两种含能材料试样进行了SHPB端面摩擦效应实验,得到了两种材料在不同端面条件下的应力应变曲线.结果表明:端面摩擦效应对实验结果影响很大。通过对回收试样的观察,发现两种材料在不同端面条件下呈现出不同的破坏特征,并对其原因进行了简单分析。     

LY12铝小尺寸试样的SHPB实验探讨

材料在高应变率下的力学行为是工程中关心的问题.在SHPB实验中通过减小试样尺寸可以提高应变率,但这有可能引入二维效应从而影响实验精度.本文结合数值模拟和系列尺寸LY12铝合金试样的SHPB试验对小尺寸(相对于压杆直径,下同)试样SHPB实验的准确性进行了分析和探讨.结果表明在试样长径比%l/d%≥0.5且端面摩擦效应很小时,小尺寸试样SHPB实验是可行的,并采用小尺寸试样获得了LY12铝104s-1高应变率的实验数据.此外,本文还对小尺寸试样试验中可能存在的偏心压缩问题进行了研究,研究结果偏心压缩带来的弯曲效应通过对称位置上的信号平均可以很好地消除.     

塑料SHPB实验中的端面摩擦效应

基于H.Meng的动摩擦实验结果,建立了一个端面动摩擦模型,以描述端面动摩擦因数随SHPB 塑料试样与钢压杆接触界面间最大径向相对滑动速度的关系。在SHPB实验的数值模拟中,分别考虑了该 端面动摩擦模型和以往被广泛采用的常摩擦因数模型,结果发现,选取不同的端面摩擦模型不影响通过塑料 SHPB实验的数值模拟获得的转折应变率(量级为102s-1),然而当应变率超出转折应变率以上时,不同的端 面摩擦模型会对塑料SHPB实验的数值模拟结果产生显著影响,使用提出的端面动摩擦模型可得到更准确 的塑料SHPB实验的数值模拟结果。     

浇铸类炸药应力应变曲线的SHPB测量

浇铸类炸药由于质地软、波阻抗及波速都很低，通过传统SHPB实验方法无法得到准确的应力应变数据。透射杆信号幅值过低、试样应力平衡均匀性不高以及大应变加载引起的入射波反射波重叠失效，是进行浇铸类炸药SHPB实验的难点所在。本文中对传统SHPB实验方法进行改进，在试样两端面加装石英晶体应力计，引入石英计所获得的应力数据与应变片测得数据共同对试样应力应变状态进行计算。该方法可以提高透射信号幅值，提供试样大应变加载，避免了入射波反射波重叠导致的信号失效问题，修正了SHPB实验过程中的应力时空不均匀性的影响，提高了实验结果的可靠性。利用改进后的实验方法对典型浇铸类炸药进行了实验研究，得到了较准确的应力应变曲线。     

PVDF应力测量技术及在混凝土冲击实验中的应用

介绍了使用PVDF(polyvinylidene fluoride,聚偏二氟乙烯)应力计的应力直接测量技术。在SHPB装置上进行自制PVDF应力计动态压电系数的标定实验,分析了应力集中、横向泊松效应、摩擦效应对PVDF应力计信号及动态压电系数的影响。用PVDF应力计进行了混凝土的冲击压缩实验。利用混凝土前后端面PVDF应力计信号分析了实验过程中混凝土试样的应力均匀性。与应变计直测应变技术相结合得到了混凝土的动态应力-应变关系。     

聚氨酯(PU)在力学性能测试中的摩擦效应与变形均匀性研究

作为防弹玻璃夹层材料,PU的动态力学性能一直受到学者们的关注。为准确表征其动态力学性能,本文采用ABAQUS有限元软件对不同摩擦系数下的单轴压缩试验进行数值仿真,分析试样加载端面的摩擦效应和几何尺寸对单轴压缩试验结果的影响;结合高速摄影技术(HSP)与数字图像相关技术(DIC)观测到试样在拉伸试验中的动态变形场和应变场,探讨标距段的应力均衡性;同时对PU材料在不同应变率下的单轴压缩、拉伸力学性能进行测试。结果表明:压缩试样的端面摩擦效应限制横向变形,影响了试样内部的受力分布,使得测量得到的应力值偏大;试样长径比越小,端面摩擦效应的影响越大;在单轴动态拉伸试验中,板状拉伸试样的标距段选取应当考虑两端倒角尺寸。通过测试PU的拉、压力学性能,发现材料具有显著的应变率敏感性。     

软材料的SHPB实验设计

通过对SHPB实验中加载波波形进行控制设计 ,实现软材料试样在加载过程中的应力平衡和常应变率加载 ,从而保证SHPB实验的前提条件。采用这种方法研究了两种材料的高应变率本构 ,实验结果表明 :设计的方法是行之有效的。     

SHPB系统圆柱形试件的惯性效应分析

在对分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验系统试件惯性效应分析的基础上,增加了界面摩擦做功对试件惯性效应影响的分析．在理论分析的基础上,就如何减小摩擦效应、惯性效应对实验结果的影响,对SHPB试件尺寸比例的设计以及摩擦系数的选取作了进一步的分析,另外还对SHPB实验过程中,试件两端应力平衡情况做了初步的讨论．     

非均质结构PBX炸药的动态压缩过程模拟

采用离散元方法，构建了考虑PBX炸药晶体颗粒与黏结剂非均匀性的计算模型，通过在炸药试样两端采用相向飞片加载、将原SHPB实验的应力边界替代为速度边界的方法，开展了PBX炸药的动态压缩数值模拟研究，再现了考虑PBX炸药非均质特性的SHPB实验过程，获得了不同加-卸载路径下炸药应力应变曲线以及相应的损伤破坏图像。模拟结果表明:在动态压缩过程中，虽然PBX炸药处于整体应力平衡，由于PBX高度非均质性，内部应力分布并不均匀，晶体间应力以应力桥形式传递；应力曲线为试样整体平均，试样内局部所受真实应力可能高于曲线峰值应力；出现卸载回滞曲线的试样发生局部损伤破坏，而完全软化曲线的试样发生整体失稳破坏。     

聚合物材料SHPB实验关键问题

分离式霍普金森压杆(SHPB)广泛用于测量聚合物材料在高应变率下的动态力学行为.但是由于聚合物材料本身的低强度、低刚度、低阻抗、低波速等特点,使得SHPB动态试验相比其他材料更加复杂.论文较为详细地综述了聚合物材料SHPB实验技术中的应力应变计算、脉冲整形技术、动态应力平衡、摩擦与惯性效应、试件与波导杆的选择、碰撞速度与应变率关系、最大常应变率的确定等关键问题及其进展.理解这些关键问题并且采用目前较好的方法,对于获得聚合物材料有效和准确的高应变率力学特性具有重要意义.     

基于SHPB的UHPC冲击试验径向惯性效应分析

为探讨UHPC试件惯性效应对SHPB加载过程的影响，采用大型有限元分析软件LS-DYNA从试件直径、长径比以及恒应变率加载等角度出发，开展了相应的数值模拟与分析。通过对软件中Karagozian-Case-Concrete (KCC)损伤模型参数取值进行优化，建立了基于SHPB技术的UHPC材料冲击压缩数值模型并与试验验证。在此基础上，开展不同UHPC试件直径、长径比以及有无整形器下的参数分析，探讨其对SHPB试验中径向惯性效应的影响。结果表明:(1)为实现加载过程中一维应力传播和UHPC试件应力平衡，试件直径建议按0.90～0.95倍杆件直径取值；(2) UHPC试件长径比对试件加载过程中的应力平衡影响较小，但综合试件中钢纤维分布均匀性以及破坏前一维应力传播，建议按0.35～0.45取值；(3)实现恒应变率加载是UHPC材料在SHPB冲击试验中消除径向惯性效应的重要前提。     

样品粗糙度对材料SHPB动态压缩性能的影响

有效消减样品端面摩擦力是保证分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）实验结果有效性和准确性的必要条件。为了研究样品粗糙度和润滑效果对端面摩擦力和最终实验结果的影响,以应变率效应不敏感且性能稳定的紫铜为研究对象,通过机械加工配合酸蚀的方法制备了3种典型表面粗糙度的紫铜样品,分别在二硫化钼（MoS₂）充分润滑和完全不润滑的条件下各自开展高精度的SHPB重复动态压缩实验研究。结果表明,通常认为能够有效消减金属样品端面摩擦力的MoS₂仅能够在样品粗糙度不大于0.8 μm的情况下起到较好的润滑效果,随着紫铜样品粗糙度的增加,MoS₂的润滑效果不断降低,端面摩擦力不断增大,实验结果的分散性也显著增加。样品端面粗糙度为1.6 μm时,MoS₂已不能有效消减端面摩擦力;样品端面粗糙度达到3.2 μm时,MoS₂的润滑效果几乎为零。SHPB实验中使用MoS₂润滑金属样品时,压杆和样品实验端面的粗糙度需达到0.8 μm;腐蚀液处理后的金属样品外表面粗糙度难以达到0.8 μm,实验过程中需对样品端面进行比MoS₂润滑效果更好的润滑处理,或对实验结果进行扣除端面摩擦力的修正才能够保证实验结果的有效性和准确性。     

Limiting conditions for compression testing of flat specimens in the split hopkinson pressure bar

The split Hopkinson pressure bar (SHPB) technique is analyzed during the initial stages of loading by means of axisymmetric finite element simulations of dynamic compression tests. Limiting strains as functions of the test parameters such as the specimen diameterd and heighth were found to ensure a one-dimensional stress state and axial stress homogeneity in specimens of elastic-perfectly plastic material. The one-dimensional stress state is necessary and sufficient for accurate test results for flat specimens (h/d≤0.5) and nonflat specimens, respectively, with diameters up to half of the bar diameter. Only very small values of the Coulomb friction constraint (μ≈0.01) seem to be acceptable. The significance of the determined limiting conditions to the more practical case of a rate dependent material is investigated using an elastic-viscoplastic material for the specimen. The stress and strain rate reconstructed from the calculated bar signals (according to the SHPB analysis) are compared with stresses and strain rates averaged over the cross section of the specimen. Well-known inertia corrections improve the results of the SHPB procedure, but errors remain for small strains and highly time dependent strain rates.     

爆炸焊接界面波物质点法三维数值模拟

基于冲击动力学和爆炸焊接理论,采用物质点法对爆炸焊接界面波的形成进行三维数值模拟。通过数值模拟结果与爆炸焊接实验结果的对比,对复合界面材料的塑性流动变形以及界面波形成的机理进行探讨。结果表明:界面波是因为在碰撞点处的金属材料发生熔化并产生涡旋流动形成的;同时也说明采用物质点法模拟爆炸焊接界面波的形成是可行的。     

Dynamic fiber debonding and frictional push-out in mode composite systems: Experimental observations

In the present work a modified Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) system is adopted to perform dynamic fiber push-out experiments on model single fiber composite systems. A tapered punch and a support connect a monofilament composite with the incident and transmitted bars of the SHPB. The tapered punch is used to apply compressive loading to a single fiber (either steel or aluminum) embedded in a surrounding matrix material (EPON 862). The SHPB allows real time measurement of relative fiber/matrix displacement and push-out force, as the debonding and push-out event progresses. Using this technique we have studied the effect of loading rate, material mismatch, fiber length, and surface roughness on the push-out event. It was seen that maximum push-out force increases with increasing loading rate. In addition dynamic interfacial strength and toughness is highly dependent on fiber surface roughness. Results from a finite element analysis incorporating a cohesive failure model were used to extract interface strength and toughness values. It was found that the particular aluminum/EPON interface used is characterized by a dynamic shear failure strength of 48±8 MPa, a mode II fracture toughness of 160±40 N/m, and a friction coefficient of 0.2 at a sliding rate of 6 m/s. For the rates tested here these quantities were found to be approximately constant.     

On the Plastic Wave Propagation Along the Specimen Length in SHPB Test

To observe the plastic wave propagation, an experimental setup is designed with a SHPB facility and a high speed digital camera. Two types of OFHC copper were selected as specimen materials: in the cold work condition and after total annealing, which represent non strain hardening and strain hardening material respectively. The rise time of incident impulse in the SHPB test is relevant to bar’s radius. A maximum allowable specimen length and a maximum allowable impact velocity (MAIV) of striker are proposed for the SHPB test. The propagation of plastic waves is observed along specimen length at the beginning of specimen’s plastic deformation in SHPB test. However, for both types of material, no plastic wave motion is caught along specimen length for large plastic strain level. Side confinement effect of friction is found to be significant, even with lubricant in the experiment.     

摩擦磨损的接触界面势垒理论研究

根据系统和能量的观点,从摩擦界面的微观相互作用出发,提出摩擦磨损的接触界面势垒理论,研究接触界面势垒和标准接触界面势垒的计算方法,并推导出摩擦力、摩擦系数以及粘着磨损量的计算公式.研究表明,界面的摩擦磨损性能取决于接触界面势垒的大小和分布,用标准接触界面势垒作为表征摩擦副材料摩擦磨损特性的指标具有较好的独立性和稳定性.利用已有的实验数据进行计算,结果与超高真空原子力显微镜实验结果基本符合,验证了所提出理论和方法的可行性.     

硬质聚氨酯泡沫塑料的SHPB实验研究

本文对四种不同密度的硬质聚氨酯泡沫塑料（ＲＰＵＦ）的静态及动态力学性能进行了研究，并对分离式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆（ＳＨＰＢ）实验中ＲＰＵＦ试样的长径比进行了讨论。静态实验的结果说明了ＲＰＵＦ的弹性模量及屈服应力都随密度增加而增大，并且随密度增加，材料的屈服平台逐渐消失。ＳＨＰＢ实验结果表明ＲＰＵＦ对变形应变率有一定的敏感性且其敏感性随密度增加而稍有降低