SHPB帽形试样尺寸效应研究

利用ANSYS/LS-DYNA软件开展不同尺寸帽形试样的SHPB数值模拟,研究帽形试样的尺寸效应。结果表明,当帽形试样剪切变形区域宽度大于0.2 mm时,根据经典公式处理得到的应力值将随t的增大而显著增大, 严重偏离理论值,当t=1.0 mm时,计算得到的应力值甚至接近理论值的2倍。采用分体模型进行的进一步计算表明,数据处理结果中应力偏差主要来源于帽形试样中环状部位的膨胀变形。提出改进的数据处理方法,并采用圆柱样与几种不同尺寸帽形试样开展了验证实验,结果与计算结果基本一致。     

强脉冲载荷作用下端盖法兰结构的螺栓预紧力设计方法

为研究承受强脉冲载荷的端盖法兰结构的螺栓预紧力设计方法，利用实验室霍普金森杆平台，基于液压原理设计了一套实验装置，并结合数值模拟结果，对强脉冲载荷下端盖法兰结构的动态响应进行研究。通过研究发现:由预紧力和脉冲载荷引起的螺栓总拉伸应变随载荷峰值变化的曲线上存在最小极值点，并总结了最小极值点随载荷峰值、载荷脉宽的变化规律，为强脉冲载荷下法兰结构和预紧力设计提供了依据。     

冲击荷载作用下混凝土动态力学性能数值模拟研究

利用直锥变截面式Φ74 mm SHPB对混凝土和水泥砂浆材料进行了三种不同冲击速度下的动态力学性能实验,分析了其冲击速度对混凝土力学性能的影响规律。应用刚性板冲击加载的方式进行了混凝土动力响应的数值模拟研究,数值模拟结果与实验结果吻合较好。数值模拟表明：混凝土的峰值应力随着冲击速度的增大而增大,混凝土是一种率敏感材料;随着粗骨料体积含量增大,冲击荷载作用下混凝土的峰值应力呈现先增大后减小的趋势,粗骨料体积含量为40%时混凝土峰值应力最大;保持粗骨料最大粒径不变,随着粗骨料最小粒径的增大,混凝土的峰值应力逐渐减小;保持粗骨料最小粒径不变,随着粗骨料最大粒径的增大,混凝土的峰值应力呈现先增大后减小的趋势,数值模拟结果为混凝土的工程应用提供了理论依据和技术支撑     

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。     

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。     

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。     

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。     

钢质套筒被动围压下混凝土材料的冲击动态力学性能

为了研究混凝土材料在钢质套筒侧限约束下的动态力学性能参数和破坏规律,采用分离式大直径（75 mm）SHPB实验技术,测试了钢质套筒侧限约束下不同混凝土试件在不同载荷作用下轴向或径向的应力、应变峰值,平均应变率,计算了混凝土材料的损伤值,描述了加载破坏现象,对实验结果进行了分析。结果表明:混凝土材料在被动围压下,延性、抗破坏能力得到加强,具有明显的增强效应。被动围压下SHPB实验中混凝土材料的破坏应变为典型SHPB实验中破坏应变的1.8～2.8倍;破坏应力达到150 MPa以上,为静力学无围压条件下的2～5倍。     

酚醛层压材料的冲击力学行为及本构模型

为了研究酚醛层压材料的冲击力学行为并获得本构模型,利用万能试验机和整形修正的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对材料试样进行了应变率范围为10-3~103 s-1的单轴压缩实验,得到了不同加载应变率下的应力应变曲线,对其在准静态、动态载荷下的压缩破坏机理进行了初步探讨。结果表明,酚醛层压材料具有较强的应变率效应,与准静态(1.67×10-3 s-1)时相比,在动态载荷(7×102 s-1)下,峰值应力增加了约10倍;破坏应变减少了约一半;在准静态和动态加载条件下试样力学性能的差异是由于纤维基体界面特性以及不同应变率下破坏模式的不同;采用朱-王-唐本构方程描述了酚醛层压材料力学行为,拟合得到了本构方程的系数,在加载过程中,理论计算值与实验结果吻合较好。     

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。     

含局部焊接细节的钢桁架结构静动力响应实验研究

从考虑损伤的结构有限元模拟的研究需要出发,对考虑焊连接细节构造的钢桁架结构试样进行了结构动力特性及特定载荷下的静力响应实验研究。文中给出了对试样结构进行动力特性测试和结构整体与局部应力分布状态的测试结果及其分析,并将有限元计算的结果与测试结果进行了对比分析。研究结果表明：结构动力特性的计算结果和测试值比较接近,存在的误差主要来自于边界条件的不确定性和可能的材料不均匀性;边界约束的形式对结构名义应力的分布有明显的影响,但对于焊接细节处的热点应力分布的影响很小。实验中所关注部位的热点应力在均布载荷作用下随载荷级别的提高,应力值由下翼缘的中间向两边增大,在焊缝附近有应力突变。     

大尺寸Hopkinson压杆及其应用

本文介绍了国内最大尺寸的SHPB装置;讨论了在大尺寸SHPB装置上测量混凝土类材料动态力学性能将会出现的几个问题;采取了在入射杆的打击端加设波形整形器,在试件与杆件之间加设万向头及在试件上直接测量应变等新的实验技术及采用新的数据处理方法,提高了试验结果的精确度和可信度;简要介绍了利用ф100 SHPB装置对四种体积含量(0,2%,4%和6%)钢纤维高强混凝土进行三种应变率(10~20/s,35~45/s和75~85/s)的冲击压缩实验。实验结果表明,钢纤维高强混凝土具有较强的应变率效应,其破坏应力、峰值应变随应变率增加而显著增加,弹性模量也随应变率增加而增加。另外,钢纤维含量对混凝土具有增韧效应,随着钢纤维含量的增加,其韧性增大,脆性降低。     

湿度对骨内压电信号的影响

对不同相对湿度下的骨压电电压和压电电荷信号进行测量研究,来考察湿度对骨压电信号的影响.采用三点弯曲干骨试样,以梯形脉冲载荷的方式进行加载,分别应用超高输入阻抗的生物信号放大器和电荷放大器测量了三种不同相对湿度下的骨压电电压和压电电荷信号波形.结果表明,骨压电电压峰值随湿度的增加而下降很快,当湿度从30%增至60%时,电压降幅达到了80%左右;基于测试原理的不同,骨压电电荷也随湿度的增加而下降,其降幅较小.由此可以推断,骨在体内湿润的状态下,受力变形时压电电压幅值可能趋于零.电荷的产生和瞬时泄放有可能是骨在体内的动态载荷作用下的压电效应的表现形式.     

冲击载荷下导线覆冰脱落过程的数值模拟

采用ABAQUS有限元软件建立输电线路有限元模型,模拟研究单档覆冰导线在冲击载荷作用下的除冰过程。覆冰破坏采用拉伸破坏准则,利用ABAQUS的用户材料子程序VUMAT,定义覆冰的本构关系并实现覆冰破坏单元删除的判定。进一步模拟研究在不同冲击载荷幅值、线路档距和覆冰厚度等条件下的除冰率,结果表明:除冰率随冲击载荷幅值的增加而增大;覆冰厚度和档距越小,除冰率越大;连续档线路需要更大的冲击载荷才能达到较好的除冰效果。所得结果可以为机械式除冰装置的设计提供参考。     

电磁内爆套筒动力屈曲的实验和数值模拟

用实验及数值模拟方法研究了电磁内爆套筒的屈曲响应规律。用电容器组脉冲发生器装置作为驱动源,设计4种不同材料、不同尺寸的金属套筒,通过调节电容器组的充电电压得到不同的加载电流,研究材料及几何参数、加载脉冲特性对套筒屈曲的影响;采用瞬态非线性有限元方法对实验结果进行了数值模拟。研究表明,在同样加载电流作用下相同材料套筒形成的屈曲波数随半径/厚度比增大而增大,不同材料套筒的屈曲波数随屈服强度/塑性强化模量比值增大而增大,而相同材料的屈曲波数不随加载电流的大小而改变;模拟计算结果与实验结果基本吻合。     

钢纤维高强混凝土冲击压缩的试验研究

介绍了利用100 mm SHPB装置获得钢纤维高强混凝土冲击压缩应力-应变曲线的试验研究。同一类试样在静态和动态共4个不同应变率下的试验结果揭示混凝土是应变率敏感材料，其破坏应变、峰值应变和弹性模量表现出显著的应变率强化效应。从静态和动态压缩下混凝土损伤演化的不同形式对这种应变率强化效应进行了详细讨论。从相近应变率下不同钢纤维含量试样的试验结果中，发现冲击压缩下钢纤维对混凝土的增强效应随应变率的增大而减弱。从钢纤维对混凝土静态和动态压缩下损伤演化形式的影响，讨论了钢纤维对混凝土的这种增强效应。     

岩石单轴冲击加载破碎特征分析

采用改进后的立式机架结构Φ50mm分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,研究并分析了火山碎屑岩、砂岩在不同冲击气压下的破坏特征差异和原因以及最大峰值应力。结果表明:岩石破碎的最大峰值应力与冲击气压呈线性增长关系;硬度和脆性较高的火山碎屑岩以劈裂破坏为主,硬度不高、塑性较强的砂岩以压碎破坏为主;砂岩独特的破碎形式与应力波的弹性固定端反射条件相关,岩石的破坏形式与破碎形态的差异、岩石自身性质、应力波密切相关。     

循环荷载下软岩阻尼行为的试验研究

动剪切模量和阻尼比是岩体重要的动力特性参数,其取值的合理性对场地地震响应分析的结果有重要影响.利用WDT-1500多功能材料试验机,对砂岩、砾岩和砂砾岩等软岩试样进行了循环荷载试验,研究了软岩的动剪切模量和阻尼参数对应力、应变幅值和应力水平的响应特性,得到了动剪切模量和阻尼参数随应力幅值、应力水平及含水率的变化规律,讨论了其变化机理.结果表明,在不同应力水平和不同应力幅值下阻尼参数随着应力幅值的增大而增大,与应力幅值成线性拟合关系.当应力幅值较小时,含水率对岩石动剪切模量的影响较小,而对阻尼比和阻尼系数的影响较大;当应力幅值较大时,恰好相反.含水率,应力水平和应力幅值都相同时,应力水平逐级增大的应力路径下测得的阻尼参数大于应力幅值逐级增大的应力路径下测得的阻尼参数.建立的不同应力水平和不同应力幅值条件下软岩的动剪切模量与阻尼比关系模型能够描述分级循环荷载过程中阻尼行为.研究成果对抗震工程的地震反应分析和场地安全性评价有着重要参考价值.     

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.     

剪切增稠液阻尼器隔冲性能的实验研究

剪切增稠液在外载作用下粘度会迅速增大,基于剪切增稠液研制而成的阻尼器具有阻尼力大、响应快速、无能耗等优点,在阻尼耗能和冲击防护设备中具有重要的应用前景。本文使用振动台模拟半正弦脉冲信号,对集成剪切增稠液阻尼器的单自由度系统在不同冲击条件下的响应加速度和相对位移进行了研究,比较了冲击脉冲幅值和频率比对冲击隔离的影响,讨论了不同冲击条件下的系统阻尼比,得到了剪切增稠液阻尼器安装方式对其冲击隔离性能的影响。结果显示:冲击脉冲幅值对响应加速度幅值比影响不大;加速度幅值比随冲击脉冲频率比增大而迅速减小,相对位移幅值随频率比增大先减小再略微增大,然后继续减小;当剪切增稠液阻尼器横向安装时,其响应加速度幅值比更小,当安装夹角增大时,相对位移随之减小,系统阻尼比迅速增大。研究表明,剪切增稠液阻尼器能够提高单自由系统的冲击隔离性能。