单轴应变：本构关系——它的内容、方法和意义（续）

6卸载本构 6．1沿着准弹性卸载路径的有效剪切模量的变化规律 长期以来,Steinberg本构关系不仅被用来描写单轴应变加载过程,也被用来描写从冲击压缩状态卸载的过程,即模拟卸载波剖面。因此,Steinberg本构方程（5．1）和（5．2）中的应力P不仅表示冲击加载压力,     

冲击波作用下铝的准弹性卸载行为

根据一维应变冲击波的基本关系,将Cochran 等定义的有效剪切模量与准弹性卸载过程的纵波和体波声速关联起来,并藉此研究了冲击波作用下铝的准弹性卸载特性. 利用VISAR高压声速测量技术获得了LY12铝在20$\sim$100\,GPa压力下沿着准弹性卸载过程的有效剪切模量,结果表明LY12铝的有效剪切模量随卸载应力的下降而迅速下降. 采用与卸载应力成线性关系的方程对有效剪切模量进行了近似描述,该方程的斜率随初始冲击压力的增加而增加,体现了准弹性卸载行为的压力相关性. 将有效剪切模量结果与准静态实验结果进行了比较,由此分析了冲击波作用下准弹性卸载过程的可能物理机制. 应用有效剪切模量方程对6061铝合金的准弹性行为进行了模拟,计算结果与实验结果符合很好.      

磁驱动准等熵压缩下LY12铝的强度测量

高压高应变率加载下材料的强度研究一直是冲击动力学的一个难题,目前动态载荷下材料的高压强度测量主要是基于平板撞击技术,冲击温升和应变率效应对材料强度的影响难以分离. 基于小型磁驱动加载装置CQ-4,开展了磁驱动准等熵压缩下LY12 铝的声速和强度测量的实验研究,讨论了考虑加载-卸载过程时磁驱动压缩实验的负载电极设计、实验样品设计、数据处理与分析等内容,并获得了12 GPa 压力范围沿加载-卸载路径的声速变化和峰值压力点的强度数据.      

平板撞击下C30混凝土中冲击波的传播特性

采用1级气炮加载技术和锰铜应力计多点测试技术,开展了C30混凝土在平板撞击条件下的冲击压缩实验研究。基于锰铜应力计实测的应力波形,研究了混凝土中冲击波的传播特性,结果显示冲击波的应力峰值随传播距离呈现明显的衰减特性,衰减过程可分为2个阶段。在早期阶段,卸载波没有赶上前面传播的冲击波,冲击波应力峰值衰减较慢,主要是混凝土材料的本构粘性效应所引起的;而后期阶段应力峰值的快速衰减则归因于混凝土材料的本构粘性效应、后续的来自飞片自由面的反射波追赶卸载、边侧稀疏波卸载及波传播的几何弥散效应的共同作用;另外,冲击波在混凝土中传播的升时也随着传播距离逐渐增大,即由强间断波逐渐转化为弱间断波。     

重玻璃高压声速精密测量与反向加载光分析技术研究

研究了重玻璃黑体窗光分析技术,提出采用无氧铜标准样品(Hugoniot参数和声速 压力曲线已知)进行反向加载,确定重玻璃窗中的波后卸载声速,分析了声速测量不确定度。获得了76～160GPa压力范围内重玻璃Hugoniot参数、冲击温度和卸载声速的实验数据,声速测量不确定度小于2%。分析比较了不同装配条件对波形质量和声速测量不确定度的影响,发展了反向加载光分析技术。     

复杂加载下材料动态响应的数据反演技术

对梯度飞片撞击复杂路径加载实验中,具有冲击加载-斜波加载-斜波卸载的金属铝材料的波剖面信息进行了数据分析和处理,不同加载路径用不同力学响应关系式进行描述,以铝材料\氟化锂窗口界面处的速度剖面作为初始条件,用反积分方法向铝材料内部直至加载面进行了反向计算,所得计算结果与正向计算结果比较吻合较好。计算得到了材料内能、温度、声速及应变率在复杂路径加载中变化规律,并给出了材料的P-V参考线,所得结果可与正向积分计算结果相互校核。     

冲击压缩LY12铝向不同充气介质卸载后的光反射率实验研究

用二级氢气炮作为冲击压缩加载工具和多通道瞬态辐射高温计作为主要测量系统,对装有初始压力为6 MPa和1.2 MPa的氦气、氘气和氢氘混合气体冲击压缩等离子体的光谱幅亮度历史进行了测量。根据实测记录信号波形的有关特征量,拟合得到了冲击压缩LY12铝基板表面光反射率R。结果发现:受冲击LY12铝基板表面对340~800 nm波长向不同充气介质氦气、氘气和氢氘混合气体等离子体卸载后的光反射率为约0.4,为静态下铝基板反射率(约0.8)的一半。并对动态加载下反射率降低的机理进行了探讨。     

泡沫金属在冲击载荷下的动态压缩行为

基于微CT扫描影像信息,建立泡沫金属材料二维细观有限元模型,考虑不规则胞孔的不均匀分布,根据实验结果拟合孔壁材料的弹塑性本构参数。研究了泡沫金属在不同加载速度下的压缩变形机理,重点讨论泡沫金属中弹塑性波的传播、惯性效应和从冲击端传递到静止端的应力变化特征。对于相对密度为0.3的泡沫铝,弹性波速约为5 km/s,与孔壁材料的弹性波速相当,塑性波速表现为随着加载速度的增大而增大。在加载速度为50~100 m/s间变形模式从准静态模式转变为动态模式,未发现明显的临界速度,动态锁死应变随着加载速度的增大而增大。由于塑性波发生反射,试件会发生二次压缩过程,相应地,静止端产生二次应力平台。受惯性作用的影响,二次应力平台也随着加载速度的增大而提高。     

无氧铜平面冲击波实验的横向应力测试及屈服强度确定

为直接确定平面冲击波实验中无氧铜的流动应力,测量了试件中的纵向应力和横向应力,得到了试件中流动应力随时间的变化。采用构建的7种本构模型对无氧铜平面冲击波实验进行数值模拟,比较了实验结果与理论计算结果。研究指出,由SHPB等确定的中等应变率本构并不能拓宽应用于平面冲击波实验。     

爆炸荷载下泡沫铝材料中冲击波衰减特性的实验和数值模拟研究

通过实验和数值模拟对泡沫铝中冲击波传播特性进行了研究,结果表明:冲击波在泡沫铝中传播时显示明显的衰减特性;与此同时波头升时逐渐增加。这种衰减耗散特性主要来源于泡沫铝本身的本构粘性效应,而追赶卸载效应又会进一步促进冲击波的衰减。这为泡沫铝作为新型抗冲击缓冲材料提供设计基础。     

冲击载荷下岩石的损伤特性分析

把岩石类脆性材料受冲击波加载造成的损伤与弹性纵波速度的变化联系起来，定义了损伤度Ｄ，并且以辉长岩（Ｇａｂｂｒｏ）和石灰岩（Ｌｉｒｎｅｓｔｏｎｅ）为例，测量了冲击波加载后靶体的损伤度分布。同时对冲击加载后含损伤的辉长岩，测量了一维准静压下弹性纵波速度的变化和抗压强度，分析了含损伤材料的静力学行为。     

钽和LY12铝的高压声速测量

应用两种不同的实验装置钽飞片/LY12铝缓冲层/LiF窗口和钽飞片/LiF窗口,采用逆向碰撞法测量了钽在110~131 GPa冲击压力下的纵波声速。实测的钽的声速结果与文献\[5\]报道的数据有较好的一致性。研究结果表明,作为缓冲层的LY12铝与LiF窗口的阻抗比较接近,使用缓冲层对钽的声速测量结果没有明显影响。实验测量同时获得了LY12铝在110 GPa和131 GPa冲击压力下的纵波声速。结合文献\[4\]的数据表明LY12铝在125～150 GPa冲击压力范围内,纵波声速随冲击压力的增加逐渐降低至体波声速。     

泡沫铝材料准静态本构关系的理论和实验研究

应用Chen和Lu提出的适用于可压缩弹塑性固体的唯象本构模型框架，建立了泡沫铝的准静态本构模型，推导了三维等比例加载和环向受约束轴向加载下的宏观应力-应变曲线. 对两种泡沫铝材料(开孔和闭孔)进行了4类准静态试验，即单轴压缩、三维静水压缩、三维等比例压缩和侧向受约束轴向压缩实验. 利用单轴压缩和三维静水压缩的实验结果得到了泡沫铝材料的本构参数曲线，并由此预测它在三维等比例压缩和侧向受约束轴向压缩情况下的响应. 理论预测与相应实验结果相比较，三维等比例压缩的结果比较吻合，但与侧向受约束轴向压缩的结果却相差很大. 分析表明，理论预测与侧向受约束轴向压缩实验结果的偏差是由于泡沫铝试件与约束筒之间的摩擦造成的. 研究结果说明, Chen-Lu模型能够很好地描述泡沫铝材料在压缩占主导的应力状态下的响应.     

[100]LiF单晶在60 GPa以内冲击加载下的高压屈服强度特性

获取光学窗口自身的高压强度特性是开展材料高压高应变率冲击响应行为精密测量和数据反演的重要基础。利用平板撞击和双屈服面法,通过冲击-卸载、冲击-再加载原位粒子速度剖面精细测量和数据反演,获得了约60 GPa范围内[100]LiF屈服强度特性随冲击压力的变化规律。结果表明:在实验压力范围内,[100]LiF的屈服强度随加载压力的提高而显著提高,压力硬化效应显著;同时,LiF在冲击加载下的屈服强度高于磁驱准等熵加载结果,应变率硬化效应强于热软化效应。采用Huang-Asay模型确定了可描述冲击加载[100]LiF强度特性的本构模型参数,为LiF在强度、相变、层断裂等加窗测量实验中的深入应用和数据准确解读提供了重要支撑。     

预应力对LY12铝弹性前驱波的影响

通过过盈配合的热装配方法对LY12铝合金平面样品施加了径向预应力,采用平面飞片撞击方法获得了预应力对弹性前驱波的影响。结果表明:当飞片均以500 m/s的速度撞击样品时,压缩预应变为0(无预应变)、964.5×10-6和1 886.0×10-6时,弹性前驱波幅值分别为87.56、95.24、121.03 m/s,压缩预应力(变)提高了LY12铝弹性前驱波幅值。结合实验的特点,探讨了对样品施加静态径向预应力的数值模拟方法,结果表明,上升沿(100 μs)较为缓慢的加载可以达到与准静态加载应力分布一样的结果。采用该数值模拟方法给出和验证了弹性前驱波随压缩预应力增加而上升的计算结果,与实验结果较为吻合。     

MB2镁等四种金属材料的本构关系和动态断裂研究

采用炸药爆轰－分离飞片加载装置与电容传感技术相结合，由高速示波器连续记录靶板自由面速度剖面，通过波剖面的时间分辨测量，研究了ＭＢ＿２镁、ＬＹ－１２铝、钨合金、２１６９钢四种金属材料的动力学响应特性，给出了这几种材料在弹性－理想塑性模型假设下的本构关系，还给出了它们的动态断裂强度，并对标准化层裂强度与破坏比功、屈服强度之间的相关性进行了分析和讨论。     

双屈服面法测量金属材料动高压屈服强度的若干改进

在J.R.Asay等提出的双屈服面法（简称AC方法）测量动态屈服强度的基础上,对实验设计和数据处理做了部分改进。在实验设计方面,在满足实验物理设计的前提下,将 AC方法的卸载实验装置(双层飞片和双台阶样品)简化为单飞片和单台阶样品,以简化波系作用,并减少了声速测量不确定度的引入因素。在数据处理方面,发现由Lagrange声速和工程应变关系曲线外推求预冲击态的体积声速容易引入较大的不确定度,而通过Lagrange声速和粒子速度关系曲线可以更清晰地得到塑性卸载起始点,使图解法和积分法得到的屈服强度值趋于一致。利用改进后的AC方法,得到了低温退火后LY12铝在20.0 GPa预冲击压力下的屈服强度为0.6 GPa。     

铝合金LC4和LY12CZ应变率相关力学性能的实验研究

对国产铝合金LC4和LY12CZ进行了准静态和动态拉伸、压缩试验研究。应变率范围从2×10(-4)～1.4×10~3s~(-1)。实验表明:LC4和LY12CZ都是应变率不敏感材料,同时发现它们的压缩应力应变曲线高于拉伸应力应变曲线。本文根据实验结果分别建立起该材料的本构方程。     

球体开孔泡沫铝准静态压缩性能实验研究

本文通过实验研究了球体开孔泡沫铝的准静态压缩性能。实验过程中发现球体开孔泡沫铝变形具有明显的"三段性"特征,即弹性阶段、屈服阶段和密实阶段。针对不同厚度的球体开孔泡沫铝板研究了尺寸效应对其屈服强度的影响。根据泡沫铝的经验型本构关系,给出了不同厚度下球体开孔泡沫铝的经验本构方程,并与实验结果对比。结果表明,所得到的经验型本构方程具有很好的适用性,为球体开孔泡沫铝的应用提供了实验依据。     

适用于自洽强度方法的冲击加载-再加载实验技术

针对自洽强度方法存在的冲击加载-再加载的难题,提出了一种采用较高硬度材料为支撑制作组合飞片的简便方法。利用该方法获得了铝、锡和锆基金属玻璃较理想的冲击加载-再加载粒子速度剖面,验证了该方法的有效性。由本文获得的冲击加载-再加载粒子速度剖面,并根据自洽方法,计算得到了铝、锡和锆基金属玻璃再加载过程剪应力变化数据。进一步分析表明,在本文涉及的压力范围内,仅由冲击加载-卸载实验得到的铝、锡和锆基金属玻璃屈服强度将比实际结果降低20%~50%。因此,在采用自洽方法计算高压强度时,冲击加载-再加载数据不可或缺。