一种新形式的钢纤维混凝土冲击动态本构关系及材料参数的确定

采用?75 mm大口径SHPB系统进行了钢纤维体积率为0%、0.75%、1.5%三种混凝土材料动态性能实验,得出了不同钢纤维含量、不同应变率下的材料应力-应变关系曲线,实验结果表明:随着纤维含量及应变率的增加,钢纤维混凝土材料的峰值应变、峰值应力都随之提高,并在峰值应力之后出现应力的应变软化现象。以此实验结果为基础,提出了一种依赖于应变和应变率相关函数的新型非线性黏塑性动态本构关系,并通过对实验曲线的三步逐次最小二乘优选模拟,得到了相应的材料参数。结果表明,该本构关系对实验数据的模拟效果较好。     

一种低应变率下钢纤维混凝土本构关系

采用岩石力学试验机,开展了同一低应变率下,钢纤维体积含量分别为0%、0.75%、1.5%、3%、4.5%、6%的混凝土材料的准静态力学试验,并获得了材料的应力-应变曲线,由试验结果可知:钢纤维混凝土材料的峰值应力、峰值应变随着纤维含量的增加而提高,材料达到峰值应力后呈现应力的应变软化特征。基于试验应力-应变曲线,提出了一种合理的钢纤维混凝土准静态本构关系,通过拟合试验应力-应变曲线,获得了相应的材料参数,拟合结果表明采用该形式的本构关系方程能很好地拟合试验曲线。     

SHPB测试中的均匀性问题及恒应变率

利用一维应力波理论对霍普金森压杆(SHPB)测试中的均匀性问题作了较为详尽的讨论,对测试中各种加载波形的优缺点及各参数对均匀性的影响进行了分析与评估。给出了测试脆性材料时实现恒应变率加载的加载条件。对在满足应力均匀性要求下SHPB的可测应变率范围作了讨论并修正了前人不完善的结论。讨论了考虑均匀性时应采用的测试数据处理方法。利用图解的方法对弹塑性材料测试时的均匀性问题及相应加载要求作了定性分析,指出对弹塑性材料,测试中的应变不均匀也应予以考虑。     

应变率历史对应力应变曲线的影响

利用普通SHPB实验系统、双试件SHPB实验系统，对一特种钢材进行了不同应变率历史的动态压缩实验，获得了不同应变率历史所对应的应力应变曲线。通过量化平均应变率相同的情况下不同应变率历史所对应的应力应变曲线的差别，以及量化应变率历史的恒定程度，初步分析了应变率历史对应力应变曲线的影响。研究结果表明:特别是在较高平均应变率下，应变率历史对试件材料的应力应变曲线有明显的影响，在材料动态本构关系研究中应当考虑应变率历史的影响。     

混凝土类材料SHPB实验中确定应变率的方法

由于混凝土类材料在SHPB实验中很难实现恒应变率加载，为了确定非恒应变率加载下的实验数据所对应的应变率，本文中针对不同强度（C20，C45，C70）和不同钢纤维含量（0%，0.75%，1.50%，4.50%）的混凝土进行了SHPB实验。对实验得到的30组恒应变率加载下的数据进行了分析总结，结果表明:实验数据所对应的恒应变率与全段平均应变率之间存在一定的比值关系，从而混凝土类材料SHPB实验数据所对应的应变率可以采用全段平均应变率的1.38倍来表征。通过对比非恒应变率加载和恒应变率加载下得到的应力应变曲线，验证了该确定应变率方法的合理性，并指出较短恒应变率加载下实验数据对应的应变率直接采用短平台段对应的应变率来表征是不合理的。     

Al2O3陶瓷材料应变率相关的动态本构关系研究

采用改进的SHPB实验方法对Al2O3陶瓷的动态力学性能进行了研究,得到了材料在较高应变率范围内的动态应力应变曲线。结果表明,Al2O3陶瓷为弹脆性材料,其动态应力应变呈非线性关系,在较高的应变率范围内,陶瓷材料的动态应力应变关系是应变率相关的;材料的初始弹性模量、破坏应力、破坏应变值随应变率的增大而增大。基于损伤力学的基本理论,给出了Al2O3陶瓷的一维损伤型线性弹脆性本构模型。根据SHPB实验结果确定模型中的参数,得到了Al2O3陶瓷应变率相关的损伤型动态本构方程。     

脆性材料中应力波衰减规律与层裂实验设计的数值模拟

对混凝土、岩石类脆性材料的层裂实验进行了有限元模拟,研究了应力波在此类材料中传播的衰减规律,包括两类机制:弹性波因大尺寸试样的几何弥散产生的小幅度线性衰减、与应变率相关的黏塑性波因本构关系导致的指数衰减。在此基础上,提出了包含常数项的指数型应力波峰值拟合公式。建议采用可以忽略应力波衰减影响的细长形试样进行层裂实验。混凝土类脆性材料层裂破坏模拟结果显示,有限元模拟得到的层裂片厚度与一维应力波理论得到的结果非常吻合,验证了按一维应力波理论确定层裂强度的实验方法的有效性。通过对比3种不同入射波形下层裂片的形状和净拉应力波形,发现不对称的入射波形状更有利于实验获得平直的层裂断面和较准确的层裂强度。     

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。     

高应力岩体爆破卸荷过程中应变率及应变能特征

针对高应力岩体爆破开挖卸载问题，自制了一台轴向加、卸载实验测试平台，通过实验测试获得了爆破卸荷过程中岩杆的动态应变及应变率数据。实测数据表明:开挖面附近岩体的爆破加、卸载以及初始应力卸载应变率均在10?1 s?1量级以上，验证了高地应力区岩体爆破开挖卸荷是一动态过程。建立了初始应力卸载一维力学模型，揭示了卸载波的传播机制；通过分析爆破卸荷过程应变能密度的时空分布特征，建立了应变能密度与各阶段应变率变化规律的联系。结合实测数据，采用隐式-显式顺序求解方法，进一步分析了高应力区岩体爆破卸荷荷载各阶段应变率沿岩杆的变化规律。结果表明:爆破加载阶段的平均应变率沿杆件逐渐衰减，且衰减速度逐渐减小；爆破卸阶段平均应变率沿杆件也呈衰减趋势；而初始应力的应变能稳定释放，其平均应变率无衰减趋势。     

铝锂合金材料的极限应变率软化特性研究

通过系列准静态与动态力学实验得到了铝锂合金材料的基本力学参数。证实了该种材料具有独特的应变率软化特性 ,并揭示了材料应变率软化效应的极限性特征 ,提出了极限应变率软化材料的概念 ,从而对突加载荷下粘塑性材料中也会出现双波结构的现象给出了合理的解释。为便于实际应用 ,还对实验得到的材料应力 应变曲线进行了拟合 ,提出了一种便于实际应用的材料本构关系的具体形式 ,即双幂次应变硬化 极限幂次应变率软化本构关系。     

对一组有机玻璃粒子速度测量波形的拉格朗日分析

在气炮装置上,运用电磁法测量了一组有机玻璃材料中的粒子速度波形,对这组波形运用拉格朗日分析方法计算了对应的应变波形、应力波形,得到了加、卸载全过程的应力-应变路径,揭示出有机玻璃材料与应变速率相关的弹-塑性本构关系的特征。     

酚醛玻璃钢动态本构关系的实验研究

本文叙述了在轻气炮上作高速撞击实验,使用碳膜压阻传感器,一次记录多个应力历史波形,用Lagrange分析和路径线方法,求材料动态本构关系的方法。给出了应力在2 GPa、应变率4105S-1以下酚醛玻璃钢的数值形式本构关系。探讨了强应力脉冲在酚醛玻璃钢中传播衰减的物理原因。     

中应变率下钢纤维混凝土受拉全过程实验研究

在简要评述有关中应变速率下钢纤维混凝土动态力学性能的实验研究现状后,详细介绍了在Instron1342材料实验机的基础上经自行改装设计的钢纤维混凝土动态测试系统,并对实验方案、试件制作与加载及量测过程进行了阐述。利用该系统,成功完成了应变率由1.38×10-4s-1～0.532×10-1s-1三个数量级范围内的钢纤维混凝土受拉全过程试验(四点弯拉),得到了中应变率下钢纤维混凝土的应力、应变全过程曲线。同时,对实验结果进行了综合分析,实验结果表明:中应变率下,应变率不同时钢纤维混凝土的应力应变全曲线具有很好的相似性,而峰值应力、峰值应变与弹性模量(割线模量)随应变率的增加均有不同程度的提高。当应变速率从1.38×10-4s-1增大到0.532×10-1s-1时,SFRC的抗拉强度提高30%左右,峰值应力对应的应变提高10%左右,动态拉伸弹性模量提高20%左右。中应变率(1.38×10-4s-1～0.532×10-1s-1)下,当钢纤维掺量从0%增加到4%时,钢纤维混凝土的抗拉强度提高1.3倍左右。     

高应变率下纯水冰和杂质冰的动态力学行为

通过采用大热惯性试件快速加载技术和波形整形技术，对3种冰材料在?18 ℃下的动态压缩性能进行测试，实验中试件达到了应力均衡和近似恒应变率加载等条件。通过实验波形对比分析，解释了反射波和透射波中的“双峰现象”。在700～2 700 s?1的应变率范围内，纯冰试件的压缩强度为14.5～49.3 MPa，相比于准静态结果表现出明显的动态增强效应。含有杂质的冰试件总体峰值应力相比于纯水冰试件有较大提升，而峰值应力对应的平均应变在减小，这表明添加了杂质的冰试件动态模量增大，冰材料变得更硬，其抵抗变形的能力更强。b型试件所表现出的强度（41.3～51.6 MPa）较a、c型试件均有提高并且分散性较小，说明该试件中杂质与冰晶体之间的结合力较强，抑制了微裂纹的萌生、扩展、成核等过程。     

高应变率拉伸SHB试验设备的研制和测试技术

本文介绍了自行研制的用于高应变率试验的分离式霍布金生拉杆设备，从一维应力波理论出发，详细推导了拉伸和压缩ＳＨＢ方法测量动态应力应变关系的计算公式；并利用本设备对硬铝合金ＬＣ进行了不同高应变率拉伸试验，得到相应的应力应变关系。     

石灰岩中应力波衰减机制的试验研究

本文提出了分析研究岩石杆中应力波衰减机制(初始微裂纹、节理、剪胀等因素的影响)的一种方法,并相应提出了减少波形振荡,提高试验精度的措施。利用这种方法,对这些因素引起应力波衰减的特点进行了初步探讨。此外还提出了在波传播时幅值无衰减的情况下,从一根杆试验中测得的应变波形,求得包括卸载在内的完整的动态滞迴应力应变关系的方法,这个方法比SHPB法更方便。实验结果说明,完整致密的石灰岩只有在剪张点以下方可当作弹性材料处理。     

高应变率下多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的非线性力学行为

采用添加造孔剂的方法制备了4种不同孔隙率的未极化PZT95/5铁电陶瓷。采用基于超高速相机与数字图像相关性方法的试样全场应变测量技术以及分离式霍普金森压杆（SHPB）技术,对多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷进行高应变率单轴压缩实验研究。全场应变测量结果显示:轴向应变仅在试样中部分布较均匀,将该区域的平均应变作为应力-应变关系中的试样应变测量值较为合理,而由SHPB原理计算的试样应变值明显偏大,需要摒弃或修正传统的SHPB数据处理方法。通过波形整形技术实现了恒应变率加载,弱化了径向惯性效应的影响,揭示出多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的压缩强度具有显著的应变率效应。通过分析试样轴向应变和径向应变随着加载应力的变化,阐明多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的非线性变形行为的物理机制是畴变和相变共同作用,并发现畴变临界应力和相变临界应力都随着应变率升高而增大。保持加载应变率不变,讨论了孔隙率对多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷动态力学行为的影响,发现随着孔隙率的升高,动态压缩强度呈非线性衰减,而畴变临界应力和相变临界应力则基本呈线性衰减。     

钛合金TB-2在高应变率下的动态应力应变关系

用分离式Hopkinson压杆对国产型钛合金TB-2的动态应力应变关系在高达3103S-1的高应变率下作了实验研究。试验结果表明TB2对应变率高度敏感,其本构关系可用Malvern粘塑性方程来表达。从高速变形下热-力学耦合的观点讨论了其应变硬化模量随应变率的增加而降低,从而有应变率敏感系数随应变增大而降低的特性。     

PMMA材料的动态压缩力学特性及应变率相关本构模型研究

利用INSTRON万能试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB)对PMMA试件在较宽应变率范围内进行了单轴压缩实验,研究加载应变率对PMMA材料力学性能的影响.利用扫描电子显微镜对回收的试样进行了显微观察,重点分析不同加载应变率下PMMA的微观损伤破坏模式.结果表明:随着应变率的增大,PMMA的流动应力显著地增加,且冲击加载条件下,峰值应力的应变率敏感性明显高于准静态;在准静态加载条件下,PMMA试样呈现明显的延性破坏特征,在动态加载条件下则表现为脆性破坏.最后,对PMMA材料的ZWT粘弹性本构模型参数进行了拟合,拟合结果与实验结果吻合较好,表明该本构模型能够较好地描述较宽应变率范围内PMMA材料的应力应变关系.     

应力波在线性磁滞体中的衰减

通过对爆炸在岩石中产生的应力波的物理分析,判断岩石应力应变关系的磁滞效应可能是应力波在岩石中衰减的主要物理机制.在线性磁滞模型下,用拉氏变换和渐近展开方法,求得应力波传播的解析解.特别是得到了应力波头以方式衰减的应力波的特解.这种解所具有的一系列特性(波形自相似,波形特征,走时和半衰期的关系,动力学和运动学参量的峰值等)与实践观测结果及已有经验公式有相当好的一致性.并表明衰减指数l仅由磁滞参数α和参数Q确定,Q为无量纲应力波头导数的绝对值.因此,这个模型可作为进一步分析物理机制和建立经验公式的基础.