一种用于材料高应变率剪切性能测试的新型加载技术

高应变率下的冲击剪切实验技术是材料动态力学行为及其微观机理研究的重要基础.采用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar)装置一般可以获得材料在104s-1以内应变率的动态力学性能.在超过104s-1的应变率下对材料进行冲击剪切测试时,通常需要采用高速压剪飞片技术或由气炮发射子弹对试样进行直接加载.本文提出一种可用于传统霍普金森压杆技术的新型双剪切试样,可以在103~105s-1剪应变率范围实现对材料剪切性能的精确测量;同时,可以对材料的变形及失效过程进行直接观测.试样与压杆之间避免了复杂的界面或连接装置,通过转接头可以保证试样与压杆直接接触,提高测试精度,同时可以防止因试样的横向位移而导致的非均匀变形.获得了紫铜在1400~75000s-1应变率下的剪应力-剪应变曲线,并采用计算软件"ABAQUS/Explicit"对双剪切试样的动态加载过程进行了数值模拟和结果验证.分析表明,剪切区的主要区域内剪切成分占主导地位,其应力应变场沿厚度及宽度方向基本呈均匀分布.实验得到的剪应力-剪应变曲线与模拟结果吻合较好,说明所提出的基于分离式霍普金森压杆系统的双剪切试样可以为材料的高应变率力学性能测试提供一种方便有效的加载技术.      

PVDF压电计在低阻抗介质动态力学性能测试中的应用

介绍了ＰＶＤＦ的压电特性,讨论了用ＰＶＤＦ测试材料动态应力应变曲线的实验方法和数据处理方法,并以聚氨酯泡沫塑料为例,说明了它在对低阻抗介质的动态测试中避开了常规Ｈｏｐ ｋｉｎｓｏｎ压杆方法的难处且实验结果具有更高的精确度。     

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。     

高温下轻质泡沫铝动态力学性能实验

对传统的分离式Hopkinson压杆装置加以改进,设计了一种长杆直接撞击Hopkinson杆的实验方案,检测出低波阻抗材料在高温动态加载下的应力均匀性。对轻质泡沫铝材料的实验表明,在同一撞击速度下,温度越高,试件两端的应力均匀性越差,增加温度与提高撞击速度均会导致泡沫铝材料冲击端与支撑端的应力不均匀性。根据高温下应力均匀性的实验结果,确定高温下试件均匀变形对应的冲击速度,再通过传统的分离式Hopkinson压杆实验得出泡沫铝在高温动态下的力学性能。     

SHPB实验中端面摩擦效应研究

选取硅橡胶、聚氨酯泡沫、Comp.B炸药、PBX-HMX(97%)炸药以及6061-T6铝合金五种材料试样,对分离式霍普金森压杆（SHPB）实验技术中的端面摩擦效应进行了研究。实验结果表明,SHPB实验技术中的端面摩擦效应与材料的性质相关。另外,基于各向同性弹性理论,运用能量守恒法对SHPB实验中的端面摩擦效应进行了机理分析,研究表明,材料泊松比、端面摩擦系数、试样长径比、轴向应变是SHPB实验中影响端面摩擦效应的四个因素。     

聚氨酯泡沫塑料在应力波加载下的压缩力学性能研究

通过ＳＨＰＢ冲击实验装置研究了硬质聚氨酯泡沫塑料在应力波加载下的动态力学性能，得到了泡沫塑料在较高应变率下的应力－应变曲线；确定了泡沫塑料的动态屈服强度和动态弹性模量等力学参数，并同落锤冲击实验及准静态压缩实验的结果进行了比较。     

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。     

闭孔泡沫铝动态材料参数的实验研究

泡沫金属在高速冲击下表现为变形局部化,采用传统的分离式Hopkinson杆技术进行动态实验测试可能存在问题。本文以动态、刚性-塑性硬化(D-R-PH)模型为理论基础,对闭孔泡沫铝开展Taylor-Hopkinson冲击实验,结合高速摄影技术和数字图像相关技术(DIC),获得了冲击速度的历史曲线。通过运用冲击波理论,提出了冲击速度与冲击时间的隐函数拟合方法,确定了动态初始压溃应力和应变硬化参数等两个动态材料参数。利用冲击端的应力历史曲线检验了结果的有效性,分析了动态材料参数对相对密度的敏感性,发现动态初始压溃应力和应变硬化参数均与相对密度近似呈幂函数关系。实验表明泡沫铝的应力-应变行为呈现明显的冲击速率敏感性。     

动静组合加载作用下花岗岩破碎的分形特征

在分离式霍普金森压杆实验装置上进行了花岗岩破坏的动静组合加载实验.通过对受载后岩样破碎块度进行筛分统计,得到了该加载条件下岩石破碎的粒度分布.在此基础上,通过理论计算公式,进一步得到了相应的破碎分形维数,分别探讨了静载荷和冲击载荷对分维数的影响.结果表明,动静组合加载作用下花岗岩破碎分维值在2.0～2.8之间;相同静载不同动载下,花岗岩的破碎分维值与试样的应变率有关,随应变率增大而增大;而在相同冲击动载下,静载荷变化对分形维数的影响不大.     

碳质双层纸基摩擦材料的摩擦磨损性能研究

采用抄纸工艺制备碳质双层纸基摩擦材料,采用惯量摩擦试验方法研究双层纸基摩擦材料的摩擦磨损性能.结果表明:碳质层的摩擦力矩在制动初期上升较快,中间过渡区平稳,尾部翘起较小;在制动压力小于0.28 MPa时静摩擦系数小于动摩擦系数,且动、静摩擦系数均随制动压力增加而减小;相对纤维层而言,采用碳质层摩擦时摩擦力矩曲线形态更好,连续制动时摩擦系数波动较小,磨损率低且能够有效保护偶件,是1种静/动摩擦系数比较低且适用于高载荷工况条件下使用的摩擦材料.     

硬质聚氨酯泡沫力学特性的静水压力加载实验方法研究

泡沫材料在多轴载荷下的力学性能是工程中非常关心的问题。利用土壤的三轴压缩试验装置,通过试验方法的改进,提出了一种体应变测定和修正的方法,对硬质聚氨酯泡沫材料的静水压力特性进行了研究,得到了一些有价值的数据和结论。研究表明:在准静态静水压加载条件下,该材料的应力-应变曲线明显地分为弹性段、塑性段和压实段,且屈服强度比单向压缩时略大、压实应变略小。最后通过不同高度的试样对比试验,对聚氨酯泡沫材料的不均匀变形和弯曲的原因进行了分析和比较,指出了试验时应该注意的问题。     

软材料和松散材料SHPB冲击压缩实验方法研究

针对采用SHPB装置研究泡沫等软材料和黄土、砂等松散介质的动态特性时存在的实验技术问题,提出利用钢套筒约束试件横向变形的方法,在SHPB冲击加载装置上实现材料准一维应变实验,研究了上述材料在准一维应变条件下的动态力学特性。本文同时指出,可以通过引入一约束系数描述试件一维应变条件的满足程度,并指出钢套筒的横向变形对实现试件一维应变的影响不大。在此基础上,进行了相关实验研究,说明了该实验技术能较好地满足软材料或松散介质力学性能研究工作的需要。     

Stress response of a rubber block with frictional contact under axial loading

Rubber blocks (or springs) are structural components widely used in many applications. Design characteristics of a rubber block under axial loading are an apparent modulus (or compression modulus) and normal and shear stresses on contact surfaces. These are affected by a contact condition of the rubber block in contact with two rigid plates and the shape of the block. The problem of a rubber block bonded to two rigid plates has been solved using various approaches. In contrast, for a rubber block whose one surface is bonded to a rigid plate and the other surface in contact with a frictional surface, there is little work in spite of practical applications. For this contact condition, approximate solutions for rectangular blocks in plane strain and for axi-symmetric discs are derived under the assumption of Coulomb frictional contact. The problem is treated as an extension of the problem of an incompressible rubber block bonded to two rigid plates with one of the plates having a frictional interaction with the rubber block. In the linear range of deformation, finite element analysis and experimental results for rubber blocks with shape factors ranging from 1 to 6 are compared for the validation of analytic results. It is found that friction coefficients play important roles in the design characteristics of the rubber block.     

Sensitivity analysis of tire-ice friction coefficient as affected by tire rubber compound properties

Previous studies show that the material properties of the rubber are among the most important factors when designing a tire. In this study, we investigated the effects of different rubber properties on tire performance on ice. A theoretical model that incorporates these tire material properties was developed. The model was used to estimate the height of the water film generated due to friction and the friction coefficient for both, dry and wet regions at the tire-ice contact patch. After validating the results using experimentally collected data, the model was used to perform a sensitivity analysis on the tire performance with respect to six material properties of the tread rubber: thermal conductivity, rubber density, Young’s modulus, specific heat, roughness parameter of the rubber, and radii of spherical asperities of the rubber. To study the effect of each parameter, the desired material property was varied within a specific range while the other parameters were kept constant. The results from this study show the sensitivity of the magnitude of the friction coefficient to the rubber material properties. The friction coefficient has a direct relationship with the density of the rubber and has an inverse relationship with Young’s modulus, specific heat, and roughness parameter.     

PVDF压电薄膜在应力波测量中的应用

综合介绍了PVDF压力传感器的测试原理、动态标定实验，并采用定制的PVDF压力传感器测量了不同类型分层介质在冲击载荷作用下的压力衰减，说明了PVDF压力传感器在压力测量中有着很好的前景．     

轻质泡沫混凝土的劈裂破坏力学行为分析

利用平台巴西圆盘加载方式和钢质压条加载方式,对两种厚度为25mm和50mm、不同密度的轻质泡沫混凝土(400～1000kg/m3)进行巴西圆盘劈裂试验,研究密度和厚度对泡沫混凝土裂纹宽度、劈裂强度、断裂韧度、断裂能的影响规律。结果表明,在橡胶垫平台巴西圆盘和钢质压条加载方式下,其劈裂断裂特征大致分为四个阶段:线性弹性段、非线性弹性段、起裂阶段、失稳阶段。同样加载率下最大裂纹宽度随着泡沫混凝土密度增加逐渐减小,劈裂拉伸强度、断裂韧度、断裂能呈幂函数形式增加。借鉴Reinhardt非线性软化曲线,对不同密度泡沫混凝土的应力软化关系进行曲线拟合,建立基于拉伸强度、断裂韧度等控制参数的应力-裂纹宽度关系三段式模型。基于试验结果,对理想多孔材料细观力学预测模型进行修正,获得泡沫混凝土孔隙率与拉伸强度的半经验公式。     

A procedure for correction of creep in foam rubber optical pressure measurement techniques

A procedure for correction of calibration curves for creep of foam rubber in contact pressure measurement using a recently developed optical measurement system is presented. The critical part of this system is the foam rubber, which is placed between the tire and an illuminated glass plate. The image intensity of the contact area obtained from the system is directly related to the deformation of the foam rubber placed under the tire. Since the foam rubber used in this system is viscoelastic in nature, the pressure obtained using the calibration assuming no viscoelastic effect may give erroneous values. In the present study, an attempt is made to investigate the effect of creep of the foam rubber on the measurement of contact pressure and develop a procedure to correct the error that occurs due to creep in the foam rubber. An exponential model is proposed that demonstrates the viscoelastic deformation for the kind of loading that takes place in this application. An illustrative example is presented in which it is shown that the errors that occur due to delayed measurement could be as high as 10 percent.     

混杂纤维增强纸基摩擦材料的压缩回弹和摩擦磨损性能研究

研究了纸浆纤维与Kevlar纤维浆粕混杂纤维中纸浆纤维的含量对其压缩回弹性能的影响,评价了不同比压和转速条件下纸基摩擦材料的摩擦磨损性能,分析了材料的压缩回弹性能与摩擦性能的关系.结果表明,纸浆纤维含量对压缩率和回弹率影响不明显,但随着加载压力增加,材料的压缩率和回弹率明显增大.在相同比压和转速条件下,纸浆纤维含量对纸基摩擦材料动摩擦系数的影响不明显,但随着比压和转速的增加,纸基摩擦材料的摩擦系数降低,其中含有17.5%纸浆纤维的纸基材料在循环制动条件下的摩擦系数最稳定,磨损率最低.     

水润滑条件下磨粒尺寸对橡胶密封副摩擦学行为的影响

磨粒磨损是各类机械橡塑密封装备的一种典型失效形式. 本文中开展了水润滑条件下磨粒尺寸对O型橡胶密封配副摩擦学行为的影响研究，分析了不同颗粒尺寸下的摩擦系数时变特性，探讨了不同运行阶段下的磨损形貌、颗粒运动特性和损伤失效机制. 结果表明:颗粒尺寸对橡胶/金属密封副的摩擦学性能有重要影响；研究发现了影响摩擦系数和损伤机制的两个颗粒尺寸临界值；当颗粒尺寸大于临界值约75 μm时，颗粒难以穿过密封界面，但少数颗粒能嵌入到摩擦副的接触区两侧，犁削作用下的金属表面产生较深的犁沟；当颗粒尺寸介于两临界值内时，接触副两侧形成“颗粒嵌入带”，颗粒以单独或颗粒群形式嵌入到橡胶内，尽管犁削了配副金属但也起到了良好的承载作用，表现出较低的摩擦系数并减缓了橡胶的磨损；当颗粒尺寸约小于另一临界值12.5 μm时，颗粒能较自由地通过摩擦界面，对配副金属表面起到了抛光效应，但也加速了橡胶的冲蚀磨损，橡胶磨损表面呈现“突脊-犁沟-突脊”交替特征，因此工程上应尽量避免此类现象的发生.