用HJC本构模型模拟混凝土SHPB实验

运用Holmquist-Johnson-Cook (HJC) 本构模型对混凝土的SHPB实验进行了数值模拟。解决了罚函数算法中罚因子合理数值的选取问题。利用模拟结果按SHPB两波法重构了试样的应力应变曲线。分析了混凝土材料的SHPB实验得到应力应变曲线的有效段范围和各段的力学规律。通过比较实际混凝土材料SHPB实验和数值模拟得到的应力应变曲线,发现两者体现的力学行为很相似,即HJC模型是描述该类材料的一种合理本构模型。模拟了试样不同平行度公差下的SHPB实验,发现在一定应变率范围内其影响程度远大于试样应力(应变)不均匀性。     

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。     

采用改进的SHPB方法对泡沫铝动态力学性能的研究

本文改进了传统的分离式霍布金森压杆(SHPB)技术，采用夹在透射杆中的PVDF压电计直接测量透射杆中的应力时程．同时，采用输入波形整形技术，通过调整加载波形，使试样加载过程中保证均匀变形及应力平衡．利用此改进了的SHPB技术对泡沫铝进行了高应变率下的动态压缩实验．实验结果表明：泡沫铝的动态应力应变曲线具有泡沫材料的应力应变曲线的“三阶段”特征(elastic region，collapse region and densification region)，并且应变率对其力学性能影响明显．     

大直径SHPB装置的数值模拟及实验误差分析

介绍了用于混凝土冲击试验的Φ100SHPB装置。利用数值模拟和应变测试相结合的方法讨论了应力波在该装置中的传播特性。二维效应导致应力波在大直径SHPB装置传播过程的弥散现象。同时在实验的大部分时间内大尺寸试样的应力(应变)存在不均匀性。因此大直径SHPB装置进行混凝土冲击压缩应力-应变曲线的实验研究会产生误差。利用数值模拟分析了误差影响程度,同时验证了用混凝土试样应变和透射杆应力得到应力-应变曲线初始段的可行性。     

一种适用于低体模量材料的被动围压SHPB实验设计

基于动态三轴被动加载实验技术,建立了一种可测量吉帕量级及以下低体模量材料压强-体应变关系的被动围压SHPB实验设计方法。在该实验设计中确定了样品、封装垫块、围压套管的尺寸以及尺寸间的匹配,并对实验压强进行了限制。通过比较传统SHPB实验和被动围压SHPB实验测量LC4铝合金等效应力的方式,验证了被动围压SHPB实验压强测量的有效性;通过实验和数值模拟分析,验证了体应变测量的有效性。将设计的被动围压SHPB实验方法应用于铈,得到了铈在伽马→阿尔法相变区间完整显示的压强-体应变演化信息,且相变起始和终止压强、相变体积变化量均与静高压实验结果基本一致。这说明设计的被动围压SHPB实验方法适用于测量低体模量材料的压强-体应变关系。     

纯锆在压缩加载下微观变形断裂机制研究

利用材料试验机和SHPB装置研究了常态下纯锆的准静态和动态压缩力学性能。塑性变形阶段的流动应力及硬化率随应变率提高而增大,应变10％～20％段的应力-应变曲线表现出凹向上趋势。金相观测表明孪晶是纯锆的重要变形机制,孪晶密度随应变及应变率的增长而增大。大应变时,在动态压缩试样表面观测到与压缩轴呈45°的宏观裂纹。试样纵向剖开后,金相观测到发展的绝热剪切带。     

基于数字图像的分离式霍普金森压杆实验中试件应变及两端应力的同步测量法

本文提出一种基于高速摄像和数字图像相关方法(DIC)的分离式Hopkinson压杆(SHPB)测量技术,从而实现试件应变和两端应力的同步测量。即在与试件接触的输入输出杆两端制作散斑,通过高速摄像获取SHPB实验过程中的散斑变形图像,由DIC测得各时刻试件的应变、输入输出杆端的应变(可直接换算为试件两端的应力)。由于试件和杆端的应变都是从同一张高速摄影的图像上分析得到的,因此它们是同步的。应用该方法对钢纤维混凝土试件的SHPB试验进行了测量,测量结果与传统应变片测量结果吻合,验证了该方法的可行性。该技术不仅实现了SHPB实验中试件应变和应力的同步测量,还将有助于直接检验各材料在SHPB实验中试件两端的力在实验过程中是否平衡。     

中高应变率下EPS泡沫的冲击压缩实验

用SHPB装置对三种密度的发泡聚苯乙烯(Expanded Polystyrene,EPS)材料进行了从300/s至1400/s共五个中高应变率下的冲击压缩实验。实验中采用波分离技术有效延长应力-应变曲线的测量范围,并简要介绍了其原理和具体实施办法。所有应变率下均获得了含有弹性段、平台屈服段和压实段完整三阶段的应力-应变曲线。曲线的重复性较好,应变率基本恒定。实验结果表明,相同密度EPS泡沫应力-应变曲线的屈服平台段长度随应变率的增加而增加,且趋于平缓。在相近应变率下,随EPS泡沫的密度增加,屈服应力增加,而变形及吸能能力减弱。     

钙质砂的SHPB实验技术及其动态力学性能

开展了11组南海钙质砂和福建石英砂的分离式霍普金森压杆（SHPB）实验,试样相对密实度为90%,厚度分别为10、30和50 mm,得到了冲击荷载下钙质砂和石英砂的应变率时程曲线、应变时程曲线和应力应变关系。实验结果表明:通过严格装样技术可以减小实验设备产生的误差,改变试样厚度、子弹长度、整形器等是实现钙质砂应力平衡和恒应变率的主要手段。在相同的密实度和加载条件下,钙质砂的体积模量和剪切模量约为石英砂的10%,压缩强度和抗剪强度约为石英砂的30%。冲击荷载作用下钙质砂的动态力学性能与石英砂存在较大的差异,因此不能将已有石英砂的研究结果直接用于钙质砂。     

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。     

A rigorous assessment of the benefits of miniaturization in the Kolsky bar system

A rigorous experimental and numerical assessment is made of the benefits and limits of miniaturization in the Kolsky bar system. The primary issues that arise in very high strain rate testing (stress equilibration, inertial effects, wave dispersion, friction, and controllability of deformations) are addressed through experiments coupled with explicit finite element analyses. A miniaturized Kolsky bar system that includes the input bar is developed, together with the use of the laser occlusive radius detector to obtain local measurements of specimen strain during the very high rate deformations. It is demonstrated that this miniaturized Kolsky bar system can be used to provide fully validated results, including the explicit determination of equilibration, over a very wide range of strain rates (1×10³ to 5×10⁴ s⁻¹). The desired high strain rate can be achieved even at low accumulated strains, and the total strain developed can be controlled very effectively. Specific conditions are developed for determining the range of utility of the technique for a given material. The technique is applied to the characterization of 6061-T651 aluminum, and the results are compared with the results obtained using a conventional Kolsky bar.     

混凝土高温动态压缩力学性能实验

利用一种新的快速加热混凝土的方法和SHPB实验系统对自制混凝土进行了不同温度下的动态 压缩初步实验,发现了混凝土在高温下的动态压缩力学性能的规律性:在高温动态压缩条件下,温度变化是影 响混凝土力学性能的主要因素,应变率的影响是次要因素。另外,该混凝土高温动态压缩破坏可以分为2种 模式(裂纹模式和破碎模式)     

SHPB试验中岩石试件的端面不平行修正

为研究短圆柱体岩石试件端面不平行对岩石动力学特性测试结果的影响,采用有限元分析软件LS-DYNA对9种端面不平行度和5种杨氏模量的岩石试件开展SHPB(split Hopkinson pressure bar)试验数值模拟,对岩石选用HJC(Holmquist-Johnson-Cook)本构模型。数值模拟结果表明,当端面不平行度在0.40%以内时,端面不平行对动态应力测试结果的影响可忽略不计;但对动态应变测试结果的影响较大。当杨氏模量一定时,平均应变率测试误差和峰值应变测试误差随端面不平行度增大呈线性增大;当端面不平行度一定时,平均应变率测试误差和峰值应变测试误差随杨氏模量增大也呈线性增大。对数值模拟得到的平均应变率测试误差和峰值应变测试误差实施二元线性回归分析,提出了SHPB试验中端面不平行岩石试件平均应变率和峰值应变的修正公式。     

碳布叠层/碳复合材料动态压缩性能测试研究

利用带有波形整形器的Split Hopkinson Pressure Bar(SHPB)技术测试了碳布叠层/碳复合材料在应变率为500、1 500 s-1时的动态压缩性能。研究结果表明:利用轧制紫铜作为整形器材料不仅可以有效地实现对碳布叠层/碳复合材料的常应变率压缩加载，而且有助于改善试样两端的应力平衡，从而保证测试数据的可靠性；此外，与准静态压缩相比较，在动态压缩载荷下，碳布叠层/碳复合材料的压缩强度有较强的应变率效应，且复合材料压缩强度的动态增加函数可以用Cowper-Symonds幂函数的形式来表示。     

分离式Hopkinson压杆实验技术研究进展

分离式Hopkinson压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)技术是一种广泛应用于研究材料加载应变率在($10^{2}\sim 10^{4}{\rm s}^{- 1}$)范围内力学响应的实验方法. 在详细介绍Hopkinson, Davies和Kolsky的3篇经典论文的基础上, 从基本理论研究、加载波形控制、复合加载方式以及测试系统改进4个方面详细论述SHPB实验技术的研究进展. 通过分析SHPB实验技术在实际应用中存在的问题, 提出SHPB标准化、拓宽应用范围以及广义SHPB技术是SHPB实验技术研究值得深入探索的方向.     

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     

沙漠砂混凝土动态力学性能实验研究

采用直锥变截面式Φ74mm分离式霍普金森压杆,对不同替代率沙漠砂混凝土进行冲击压缩实验,得到了不同替代率沙漠砂混凝土在不同应变率下的应力应变曲线。分析应变率对沙漠砂混凝土峰值应力、峰值应变和比能量影响,揭示了沙漠砂替代率对沙漠砂混凝土峰值应力影响规律,并对沙漠砂混凝土动态破坏模式进行研究。研究表明:随着应变率增加,沙漠砂混凝土峰值应力、强度增强因子、比能量和峰值应变逐渐增大;在同一应变率下,随着替代率增加,沙漠砂混凝土峰值应力逐渐减小。本文研究结果可为沙漠砂在工程中的应用提供指导和借鉴。     

大理岩动态劈裂拉伸的SHPB实验研究

利用直径100 mm的Hopkinson压杆和薄圆形铝片作为波形整形器,用不同弹速径向冲击平台巴西圆盘试样以研究大理岩的动态拉伸强度。分析了试样的应变率、破坏时间、破坏模式,以及破坏过程中的载荷-应变关系,得到了关于大理岩在高应变率下拉伸强度及弹性模量的一些结论。考虑了试样的尺寸大小及两个平台附近应力的时间不均匀性与空间不均匀性对实验结果的影响。同时,利用有限元法对平台巴西圆盘试样的动态应力分布进行了数值模拟,验证了动态劈裂拉伸实验的有效性。     

104s-1应变率下SHPB系统实验相关问题探讨

利用小直径(3.17mm)的SHPB系统初步获得两种较高强度材料(一种特种钢和一种WMo合金)应变率达到104s-1以上的动态压缩应力 应变曲线。通过对这次实验过程及结果的观察和分析,对高应变率实验存在的几个问题进行了探讨。     

矿渣-粉煤灰基地质聚合物混凝土的冲击力学性能

以矿渣和粉煤灰为原料,以氢氧化钠和液体硅酸钠为激发剂制备出养护28 d后静态抗压强度高达56.4 MPa的矿渣-粉煤灰基地质聚合物混凝土（geopolymer concrete, GC）试件,以普通硅酸盐水泥为原料制备出养护28 d静态抗压强度高达61.6 MPa的普通硅酸盐水泥混凝土（ordinary Portland cement concrete, PC）试件,采用100 mm霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）试验装置分别对GC试件和PC试件进行冲击压缩试验,得到了2种材料在0~100 s-1平均应变率范围内的应力应变曲线。通过分析应力应变曲线,并与PC进行了对比,研究了矿渣-粉煤灰基GC的冲击力学性能。结果表明,GC作为一种新型混凝土类材料,在冲击荷载作用下具有较好的强度、变形性能和韧性;GC是一种率敏感材料,冲击荷载作用下抗压强度、变形性能和韧性随应变率的增大而增强;和PC相比,冲击荷载下GC的抗压强度较小,韧性较低,GC在开始破坏前产生的变形与PC的基本相等,完全破坏时产生的变形较小。