聚氨酯泡沫塑料动态剪切力学行为的研究

通过大型精密分段式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ 扭杆实验装置对聚氨酯泡沫塑料进行了动态扭转实验,研究了聚氨酯泡沫塑料在剪切应力波加载下的力学行为,得到了这类材料的动态剪切应力 应变曲线和动态力学性能参数。此外,针对动态扭转破坏试件断口进行了扫描电镜分析,研究了泡沫塑料动态剪切破坏的机制。还给出了同准静态扭转实验结果的比较。     

40Cr材料动态起裂韧性KId（）的实验测试

描述了利用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆技术加载三点弯曲试样测试４０Ｃｒ，材料动态起裂韧性ＫＩｄ（）的试验方法。试样上的动态载荷历程由Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ杆直接测得，并分别代入动态有限元程序及近似公式求得动态应力强度因子历史；由贴在试样裂尖附近的应变片确定起裂时间，最终确定起裂时的动态应力强度因子值，即动态起裂韧性ＫＩｄ（）。试验结果表明:利用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆技术加载三点弯曲试样测试材料动态起裂韧性的方法是可行的，起裂时，动态有限元的位移法、应力法及近似公式法求得的动态应力强度因子值比较吻合；在本文的载荷速率下，４０Ｃｒ材料动态起裂韧性ＫＩｄ（）与准静态裂韧性ＫＩｄ（）相比，降低了约２８％。     

圆柱形薄壳冲击扭转屈曲的实验研究

本文对受冲击扭矩作用下的圆柱形簿壳扭转屈曲进行了实验研究，利用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ扭杆使圆柱受阶跃扭矩作用，分析所得到的应变－时间曲线，得到了不同几何参数的圆柱壳的冲击临界扭矩Ｍｄｅｒ和屈曲波数ｎ及几条定性结论，同时找出了圆柱壳静力扭转屈曲行为和冲击扭转屈曲行为之间的异同。     

硬质聚氨酯泡沫塑料本构关系的研究

介绍用大尺寸分离式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆对四种密度的硬质聚氨酯泡沫塑料进行高应变率实验，完整地给出了这种材料在１０３／ｓ高应变率下的包括弹性区、屈服区和致密区变形全过程的动态应力应变曲线，并提出了包括应力、应变、应变率和密度等参量的本构关系．     

硬质聚氨酯泡沫塑料动态力学性能的研究

介绍了用分离式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆对硬质聚氨酯泡沫塑料（ＲＰＵＦ）进行的一种高应变率实验，第一次完整地给出了ＲＰＵＦ在１０￣３ｓ￣（－１）高应变率下的动态应力应变曲线，并对ＲＰＵＦ的动态力学性能及其吸能缓冲机理作了简单的分析。     

40CrNiMoA钢的动态剪切断裂行为研究

采用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ单压杆技术对４０ＣｒＮｉＭｏＡ钢单边平行双裂缝试样进行高速剪切加载,得到了在不同动态高加载率时的动态断裂起始韧性。实验表明,在实验的加载率范围内,沿原裂纹方向扩展的动态剪切型断裂存在两种不同的断裂模式,分别称为常规的韧性剪切断裂模式和绝热剪切型断裂模式。前者的断裂韧性随加载率的提高而增大,而后者的断裂韧性则随加载率的提高而减小。根据对这两种断裂行为及其相互转变的实验结果的分析探讨,认为存在一个临界应力强度因子率Ｋｃｄ,它表征两种断裂模式发生转变的条件。     

材料冲击拉伸实验的若干问题探讨

本文提出了一套反射式的分离型Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ拉杆，并对不锈钢材料（１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ）进行了冲击拉伸试验，具体讨论了冲击拉伸试验过程中试件螺纹联接部分所引起干扰信号，试验段应变值确定以及试件尺寸和形状所引起的二维效应。     

高加载率下Ⅱ型裂纹试样的动态应力强度因子及断裂行为

采用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ单压杆技术对单边平行双裂缝试样进行高速剪切加载，用实测的试样加载面上的载荷ｐ（ｔ）结合有限元计算确定其动态应力强度因子。同时还发展了一种用实测的裂尖动态应变，通过在准静态下标定的裂尖应变与应力强度因子间的关系来确定动态应力强度因子的近似方法。实验结果表明，对于稳定裂纹在无边界反射应力波干扰的情况下，两种方法获得的动态应力强度因子吻合得相当好。对４０Ｃｒ钢和Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ钛合金两种材料的动态Ⅱ型断裂实验结果显示出两种完全不同的剪切破坏模式和机理。     

改进的Jones—Nelson物理非线性材料模型与橡胶复合材料层板分析

Ｊｏｎｅｓ－Ｎｅｌｓｏｎ模型是复合材料物理非线性应力应变关系的一种描述方法，它通过建立材料刚度与应变能密度的关系以及考虑纤维增强复合材料的物理非线性问题，非线性的材料矩阵只为应变能的子数，使得材料模型可以方便地应用地复杂应力状态下，通过 在大变形的应变应力变量和变泊松比概念，对Ｊｏｎｅｓ－Ｎｅｌｓｏｎ模型进行了改进，解决了材料特性的扩展问题和收敛问题，同时考虑了大变形中纤维铺设角度的重新取向，使其     

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     

Hopkinson拉杆的入射波波形整形实验研究

目前,分离式Hopkinson杆实验技术已经被广泛用于测试材料在10~2~10~4s~(-1)应变率范围内的动态力学特性。为了抑制入射波的高频振荡,实现恒定应变率加载,本文利用分离式Hopkinson拉杆(SHTB)实验装置,研究了加载金属短杆(2A12T4铝合金)及整形垫片(纸板、PVC软塑料及带磁性胶皮)对入射波波形的影响。实验结果表明,整形垫片降低了入射应力脉冲的高频振荡,获得了比较平滑的入射应力脉冲,延长了上升时间。同时,利用所得的波形整形结果,对2A12T4铝合金进行了拉伸应力波脉冲加载的拉伸和断裂实验测试。     

杆杆型冲击拉伸试验装置的二维轴对称弹塑性有限元分析

对带有哑铃状圆柱形试件的杆杆型冲击拉伸试验装置,建立了含有多个物理和几何间断面的二维轴对称弹塑性有限元模型,采用动态增量非线性有限元程序ＡＤＩ－ＮＡ,进行了数值模拟模拟分析,揭示了应力波在试验系统中的传播规律,在弹性框架内初步论证了杆杆型冲击拉伸试验装置测试原理的有效性。     

Dynamic Tensile Testing of Soft Materials

Determination of dynamic tensile response of soft materials has been a challenge because of experimental difficulties. Split Hopkinson tension bar (SHTB) is a commonly used device for the characterization of high-rate tensile behavior of engineering materials. However, when the specimen is soft, it is challenging to design the necessary grips, to measure the weak transmitted signals, and for the specimen to achieve dynamic stress equilibrium. In this work, we modified the SHTB on the loading pulse, the equilibrium-monitoring system, and the specimen geometry. The results obtained using this modified device to characterize a soft rubber indicate that the specimen deforms under dynamic stress equilibrium at a nearly constant strain rate. Axial and radial inertia effects commonly encountered in dynamic characterization of soft materials are also minimized.     

大直径SHTB实验装置数值模拟及混凝土细观骨料模型动态直拉研究

对混凝土材料在高应变率下的动态拉伸实验多以劈裂和层裂的形式进行，然而它们作为间接研究混凝土动态拉伸性能的实验技术具有一定的局限性，亟需使用大直径分离式Hopkinson拉杆（split Hopkinson tensile bar，SHTB）设备对混凝土进行动态直拉实验。因此，运用数值模拟方法对一种新型的霍普金森拉杆的入射波进行了研究，并对设备的局部构件进行改进，使其不仅具有对混凝土试件的胶粘连接方式，也可通过螺纹连接配套夹具以同时兼顾挂接等其他连接方式。针对改进后的SHTB装置，建立了圆环状三维混凝土细观骨料模型。通过数值模拟与实验结果的对比，验证了采用空心圆管式SHTB装置的有效性，并为混凝土细观骨料模型的动态拉伸模拟提供了思路。     

一种基于SHTB的Ⅱ型动态断裂实验技术

冲击剪切载荷作用下动态断裂韧性的测定是材料力学性能和断裂行为研究中重要组成部分.为了测定材料的Ⅱ型动态断裂韧性,许多学者采用不同的试样与实验方法进行了实验,但限于实验条件,裂纹断裂模式往往是I+Ⅱ复合型,而不是纯Ⅱ型,因而不能准确测得材料的Ⅱ型动态断裂韧性.鉴于此,本文基于分离式霍普金森拉杆(split Hopkinson tension bar,SHTB)实验技术,提出一种改进的紧凑拉伸剪切(modified compact tension shear,MCTS)试样,通过夹具对MCTS试样施加约束,从而保证试样按照纯Ⅱ型模式断裂.采用实验-数值方法对MCTS试样动态加载过程进行分析,将实验测得的波形输入有限元软件ANSYS-LSDYNA,得到了裂纹尖端应力强度因子-时间曲线,并与紧凑拉伸剪切(compact tension shear,CTS)试样进行了对比.同时采用数字图像相关法进行了实验,验证了有限元分析结果.结果表明,MCTS试样在整个加载过程中K_I K_Ⅱ,裂纹没有张开;而CTS试样在同样的加载过程中K_IK_Ⅱ,出现裂纹张开现象.这说明MCTS试样能够准确地测定材料的Ⅱ型动态断裂韧性,为材料动态力学测试提供了一种有效的实验技术.     

应力脉冲在SHPB实验中弥散效应的数值模拟与频谱分析

在评判不同材料的整形器对加载波形的改进效果的应用背景下,对比研究了不同形态的应力脉冲在霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)中的弥散效应。利用有限元软件LS-DYNA建立了杆件的三维有限元模型,在杆端分别施加矩形、三角形和半正弦形的应力脉冲,分析了波形振荡、前沿升时和应力峰值随传播距离的变化规律,并运用频谱分析的方法进行了理论解释。结果表明:三角应力脉冲和半正弦应力脉冲在各个方面都比传统的矩形应力脉冲表现出了更小的弥散效应;半正弦应力脉冲在传播过程中比三角应力脉冲更能控制其形态,能有效地减少弥散效应,提高Φ100mm SHPB实验精度,是岩石类非均质材料的理想加载波形;频谱分析的方法能从理论方面有效地解释应力脉冲信号在SHPB实验中的弥散现象。由此可见,波形整形设计的理想目标为具有较宽历时的半正弦应力脉冲。     

A Long Split Hopkinson Pressure Bar (LSHPB) for Intermediate-rate Characterization of Soft Materials

In this study, we developed a long split Hopkinson pressure bar (LSHPB) for mechanically characterizing soft materials at intermediate strain rates. Using a proper pulse shaper, a loading pulse over 3 ms was produced for compression experiments on a PMDI foam material at the strain rates in the order of 10/s. The pulse shaping technique minimized the dispersion effects of stress wave when propagating through such a long bar system. Consistency of stress–strain curves obtained from the LSHPB and an MTS in the same strain rate range shows that a gap currently existing in intermediate strain-rate range is closed by the introduction of the LSHPB.     

Hopkinson曲杆型双向拉伸加载设计探讨

为了实现对材料或结构的双向高应变率同步拉伸加载,基于曲杆中弹性应力波传播理论和Hopkinson杆原理,首先在对称的人字形曲杆结构中同时产生和传递两路压缩波,再经过接触转接头反射形成沿拉伸加载杆传播的双向拉伸波,实现对试样的双向动态拉伸。同时,为理解人字形曲杆几何构形对弹性压缩波传播的影响规律,对该加载装置进行了动力学分析和ABAQUS有限元模拟。研究发现,理想方波构形的压缩弹性波经过曲杆传播后,方波的平台段随着杆弯曲角度的增大出现前高后低的倾斜现象,同时大曲率杆引起的波形失真更严重。为获取常规方波或梯形波的平台段,也可采用定量优化的锥形撞击杆,产生前低后高的加载波,来抵消曲杆传递中的倾斜失真。最后,为了验证该加载系统的有效性,搭建了小型人字形曲杆高应变率双向拉伸装置进行试验测试。结果表明,该装置实现了脉宽约为54 μs的双向拉伸加载波良好的同步,两路波形起始点时间差可以控制在约2.5 μs以内,幅值差约6×10?6。同时对2024铝合金试样进行了双向拉伸试验,取得良好的试验效果。     

梯形应力脉冲在弹性杆中的传播过程和几何弥散

在应力波传播过程中,几何弥散效应往往难以避免.对应力波在弹性杆中传播的几何弥散效应进行解析分析,对于基础波动问题研究以及材料动态力学行为表征等课题,显得至关重要.本文简单说明了弹性杆中考虑横向惯性修正的一维 Rayleigh-Love应力波理论,概述了其波动控制方程的变分法推导过程;针对 Hopkinson杆实验中常用的梯形应力加载脉冲,建立了相应的偏微分方程初边值问题的求解模型,并运用 Laplace变换方法研究了脉冲在杆中传播的几何弥散现象;根据留数定理进行 Laplace反变换,给出了杆中不同位置和时刻的应力波的级数形式解析解,分析了计算项数对结果收敛性的影响;将解析计算结果与采用三维有限元数值模拟的计算结果进行对比,两者吻合程度良好,从而证明 Rayleigh-Love横向惯性修正理论可以有效地表征典型 Hopkinson杆实验中的几何弥散效应.在此基础上围绕梯形加载脉冲的弥散效应进行参数研究,定量描述了传播距离、泊松比、脉冲斜率等参数的影响.本文给出的 Rayleigh-Love杆在梯形加载条件下的解析解,揭示了几何弥散效应的本质规律,可以用于实际实验的弥散修正过程.      

混凝土层裂强度测量的新方法

提出了利用Hopkionson压杆测量混凝土层裂强度的新实验方法:用高聚物材料取代传统的金属材料透射杆,混凝土试件为细长杆,由于高聚物波阻抗比混凝土小,试件中压缩波在试件/吸收杆界面反射后形成拉伸波使试件产生层裂破坏,通过吸收杆上透射波形可以确定混凝土层裂强度。由于波在粘弹性材料中的弥散效应,吸收杆中透射波形会发生变化,但三维有限元分析表明,在利用吸收杆上透射波确定混凝土层裂强度时弥散产生的影响可以忽略。按照一维特征线理论,可以由吸收杆上的应变波形确定出混凝土材料的层裂强度。