基于 Hopkinson 压杆的动态压剪复合加载实验研究

本文提出了一种可用于研究压剪复合加载下，材料动态力学性能的实验装置；该装置主要是基于 Hopkinson 压杆，通过添加一个带倾斜端面的垫块，实现压剪复合加载。本文分析了该实验装置的基本数据处理方法，并利用有限元分析验证了此分析方法的可行性；然后利用该装置对常规金属材料进行了相同冲击速度，不同倾斜角度（分别为 0、30、45 度）下的一系列实验。实验结果表明，该装置能实现压剪复合加载，并且能得到材料的动态屈服面，为研究材料在复杂应力状态下的动态力学性能提供了新的实验方法。     

花岗岩动静态压剪复合加载实验研究

岩石为天然含有微裂纹微孔洞等缺陷的复杂介质,其在复杂应力状态,尤其是在压剪应力状态下的性能研究,对工程应用有着十分重要的意义。本文利用双斜面垫块改进现有装置对花岗岩进行了动静态下的压剪复合加载实验,其中静态实验基于MTS材料试验机,动态实验基于分离式Hopkinson压杆（以下简称SHPB）,由此得到不同压剪载荷联合作用下花岗岩的静态和动态力学性能。通过改变倾斜端面的角度就能够得到岩石在不同压剪加载路径下的力学性能,由此可以得到岩石的静动态破坏面。结果表明:花岗岩的破坏强度具有明显的加载速率效应。本研究为探讨岩石在复杂应力状态下的力学性能提供了新的方法。     

一种新的高应变率复合压剪实验技术

提出了一种新的基于Hopkinson杆实验技术的在102~103s-1高应变率下实现压剪复合加载的实验装置,并给出了相应的理论分析和数值模拟。为了获取材料在复杂应力下的本构关系,借助斜飞片冲击实验的思想,对Hopkinson杆进行改造,将入射杆的末端改进为截锥形,以便在试样中同时产生压缩和剪切应力。利用有限元分析软件LS-DYNA对试样中的应力波传播进行模拟计算,并利用改进装置进行了初步实验。计算和分析结果表明,利用所设计的装置可以实现对试样的动态压剪复合加载,获得材料在高应变率复杂应力加载下的本构响应,进而建立材料在复杂应力状态下本构行为的描述。     

压剪复合平板冲击加载技术进展及其应用

自20世纪70年代末发明压剪炮以来, 压剪复合冲击加载实验技术和诊断技术 有了长足进展, 应用也日益广泛.由于压剪联合加载波直接反映了材料的动态 剪切特性, 对于认识材料的屈服、损伤演化、失效、相变、界面滑移等动态行 为和机理, 构筑更全面的本构模型能够提供必要的附加信息.本文主要讨论气 炮实验中压剪复合应力波的产生方式, 诊断技术, 以及在压剪复合塑性波和动 高压本构模型、聚合物压剪冲击行为、剪切波跟踪法(SWT)和水泥基复合材料的 损伤和失效、界面动摩擦行为、冲击相变、动态损伤和断裂等方面的研究与应 用进展.     

压剪复合加载下聚丙烯屈服行为的实验研究

为研究聚丙烯在压剪复合加载下的变形行为和屈服规律,设计了一种压剪复合加载的试件(Shear-Compression Specimen,SCS),分析其构型参数对变形行为的影响,并分别对倾斜角度为5°,15°,30°,45°,60°的SCS进行了准静态加载实验,对SCS压缩变形过程中测量区的压缩应力和剪切应力的演化规律进行了分析。结果发现:聚丙烯在压剪复合加载下屈服规律受静水压影响明显,偏离von-Mises屈服准则;而Hu-Pae屈服准则可较好地描述聚丙烯在不同压剪复合加载条件下的屈服规律。此外,对加载速率影响屈服的规律进行研究,发现聚丙烯在压剪复合加载下的屈服行为具有应变率敏感性。     

主动脉瓣倾斜角度血流动力学的 PIV 实验研究

瓣叶血栓是主动脉瓣置换术后典型的继发性瓣膜疾病,血流动力学特征异常在其发展过程中至关重要.本文利用粒子图像测速 (particle image velocimetry,PIV) 系统,实验研究了主动脉瓣开口纵向轴线与升主动脉纵向轴线之间倾斜角度 ($\alpha =0^\circ$, $\alpha=5^\circ$,$\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$) 对速度、涡度和黏性剪应力分布等血流动力学特性的影响.研究结果表明:当 $\alpha =0^\circ$ 时,主动脉根部跨瓣血液流动为中心对称流动,而 $\alpha =5^\circ$,$\alpha=10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$ 时跨瓣血液流动向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜.随着倾斜角度增大,跨瓣血液流动方向倾斜程度增加,血液流动冲击升主动脉壁,损伤内皮细胞导致血栓形成.主动脉瓣倾斜时主动脉窦血液流动速度增大,涡旋也更向主动脉窦底部运动,不利于血液从冠状动脉口流出向心肌供血.同时,主动脉根部的高涡度和高黏性剪应力区域也向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜,主动脉窦的高涡度区域位于主动脉窦底部、高黏性剪应力区域分布于主动脉窦壁面处.主动脉瓣存在倾斜角度时,涡度和黏性剪应力较大,特别是 $\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha=15^\circ$,为血栓形成提供了有利环境.研究结果可为临床主动脉瓣置换术参数选择以及继发性瓣膜疾病的避免提供理论依据和技术参考.      

PIV EXPERIMENTAL STUDY ON THE HEMODYNAMICS OF AORTIC VALVE UNDER VARIED TILTED ANGLES 1)

瓣叶血栓是主动脉瓣置换术后典型的继发性瓣膜疾病,血流动力学特征异常在其发展过程中至关重要.本文利用粒子图像测速 (particle image velocimetry,PIV) 系统,实验研究了主动脉瓣开口纵向轴线与升主动脉纵向轴线之间倾斜角度 ($\alpha =0^\circ$, $\alpha=5^\circ$,$\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$) 对速度、涡度和黏性剪应力分布等血流动力学特性的影响.研究结果表明：当 $\alpha =0^\circ$ 时,主动脉根部跨瓣血液流动为中心对称流动,而 $\alpha =5^\circ$,$\alpha=10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$ 时跨瓣血液流动向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜.随着倾斜角度增大,跨瓣血液流动方向倾斜程度增加,血液流动冲击升主动脉壁,损伤内皮细胞导致血栓形成.主动脉瓣倾斜时主动脉窦血液流动速度增大,涡旋也更向主动脉窦底部运动,不利于血液从冠状动脉口流出向心肌供血.同时,主动脉根部的高涡度和高黏性剪应力区域也向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜,主动脉窦的高涡度区域位于主动脉窦底部、高黏性剪应力区域分布于主动脉窦壁面处.主动脉瓣存在倾斜角度时,涡度和黏性剪应力较大,特别是 $\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha=15^\circ$,为血栓形成提供了有利环境.研究结果可为临床主动脉瓣置换术参数选择以及继发性瓣膜疾病的避免提供理论依据和技术参考.     

Hopkinson压杆实验技术的应用进展

SHPB实验装置是研究各类工程材料动态力学性能的最基本实验手段,它不仅可用于测量金属、高聚物等均匀性好、变形量较大材料的冲击压缩(拉伸、剪切、扭转)应力—应变关系,经改进后还可以用于测量质地软、波阻抗小的泡沫介质材料和质地脆、均匀性差的混凝土类材料的冲击压缩应力-应变关系。此外,SHPB实验装置因加载方式简单,加载波形易测易控制,还可以开展混凝土类材料的层裂强度研究,火工品、引信的安全性、可靠性检测,高G值加速度传感器的标定以及炸药材料的压剪起爆临界点的测定等。     

压剪复合冲击下氧化铝陶瓷的剪切响应实验研究

通过对92.93%氧化铝陶瓷进行倾斜板碰撞实验,研究了多晶陶瓷材料在压剪复合冲击下的非弹性变形响应和剪切波传播规律。压剪复合冲击实验由57 mm开槽气体炮驱动铜飞片对陶瓷靶板加载,通过试件内埋植的电磁速度计来测量内部质点速度历程。将纵向粒子速度从感应电动势曲线中分离后得到横向粒子速度历程,发现在压剪复合冲击下由于材料剪切刚度的降低而引起的剪切波衰减。冲击软回收试件的扫描电子显微镜（SEM）观察表明,冲击载荷低于屈服强度时,多晶氧化铝陶瓷中存在沿晶界、气孔的微裂纹成核与扩展,在高于屈服强度的冲击加载下进一步产生了穿晶微裂纹,微裂纹系统导致了材料在卸载后的显著的体积膨胀。     

水泥砂浆在主动围压下的动态力学性能

水泥砂浆等脆性材料的力学性能与所受围压的大小密切相关。为了研究水泥砂浆在围压下的动态力学性能，研制了适于分立式Hopkinson压杆加载的主动围压装置，最大预加载主动围压大于30 MPa。实验得到了水泥砂浆在不同围压、不同应变率下的轴向应力应变曲线，发现材料在围压作用下抗压强度和韧性大大提高并且整体进入了伪塑性，而材料的应变率效应也是显著的。     

冲击加载条件下材料之间摩擦系数的确定

尝试利用自制分离式霍普金森压剪装置对聚氨酯泡沫塑料、硅橡胶和MDF水泥材料与铝合金在冲击加载条件下的摩擦系数进行测试.结果表明:在冲击加载条件下,聚氨酯泡沫塑料、硅橡胶和MDF水泥与铝杆之间的摩擦系数与材料的性质关系不大,其摩擦系数测试结果存在一定的分散性,摩擦曲线出现抖动,且与加载条件有关,摩擦系数比通常意义下所得到的摩擦系数小;不同加载条件对所测试材料与铝压杆之间的摩擦系数数值影响不大,只是曲线的走势稍有不同.在冲击加载条件下硬质聚氨酯泡沫塑料与铝杆之间的静摩擦系数为0.29,动摩擦系数为0.25;硅橡胶与铝杆之间的静摩擦系数为0.285,动摩擦系数为0.24;MDF水泥与铝合金杆之间的静摩擦系数为0.28～0.29,动摩擦系数约0.23.     

Impact behavior of honeycombs under combined shear-compression. Part I: Experiments

This paper presents a combined shear-compression impact test for soft cellular materials designed in order to investigate their behavior under impact multiaxial loadings. A large-diameter Nylon Split Hopkinson Pressure Bar system (SHPB) with beveled ends of different angles is used to apply the desired shear-compression combinations. The data processing methods are studied and validated by virtual testing data generated with FEM simulations. A series of experiments on an aluminum honeycomb were performed at the impact velocity of about 15 m/s with the loading angles ranging from 0° (corresponding to the pure compression) to 60°. It shows a strong effect of the additional shear loading because both the initial peak and the crush strength decrease with increasing loading angles. The quasi-static shear-compression experiments were also performed using the same beveled ends on a universal INSTRON machine and a notable strength enhancement under impact loading is observed. Images captured during quasi-static and impact tests permit for the determination of the two co-existing deforming patterns under combined shear-compression and reveal the influence of the loading rate on the occurrence of these two patterns.     

应用杆束系统研究水泥砂浆节理面的压剪动特性

基于分离式Hopkinson压杆系统提出一套Hopkinson束杆装置,研究水泥砂浆节理面在压剪复合加载下的动态界面滑移特性。应用三根小杆作为接收杆,分别采用单杆和三杆两种入射方式,对含有节理面的水泥砂浆试件进行冲击加载。在节理面发生滑动时,由三根接收杆测试得到水泥砂浆试件不同位置滑移状态,进而得出节理面的整体滑移速度。此研究初步揭示了节理面在发生滑移时的局部滑移状态以及整体滑移状态,为节理面的动摩擦特性研究提供了较可靠的实验技术。     

不同倾角预制裂纹缺陷与运动裂纹的相互作用

为了研究运动裂纹与不同倾角预制裂纹缺陷之间的作用机制，采用数字激光动态焦散线方法对含不同倾角预制裂纹缺陷的三点弯曲梁进行冲击实验。研究结果表明，在冲击载荷作用下，预制裂纹缺陷尖端均产生了次生裂纹；当运动主裂纹与预制裂纹缺陷贯通时，次生裂纹不会立即起裂，而是经过0~10 μs的能量积蓄后，次生裂纹才起裂；运动主裂纹应力强度因子峰值与次裂纹起裂时的应力强度因子值均随预制裂纹倾角的增大而增大。     

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10~4s~(-1)以内应变率的动态力学性能.在超过10~4s~(-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103～10~5s~(-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1 400～75 000 s~(-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.     

Elastic-viscoplastic field at mixed-mode interface crack-tip under compression and shear

For a compression-shear mixed mode interface crack, it is difficult to solve the stress and strain fields considering the material viscosity, the crack-tip singularity, the frictional effect, and the mixed loading level. In this paper, a mechanical model of the dynamic propagation interface crack for the compression-shear mixed mode is proposed using an elastic-viscoplastic constitutive model. The governing equations of propagation crack interface at the crack-tip are given. The numerical analysis is performed for the interface crack of the compression-shear mixed mode by introducing a displacement function and some boundary conditions. The distributed regularities of stress field of the interface crack-tip are discussed with several special parameters. The final results show that the viscosity effect and the frictional contact effect on the crack surface and the mixed-load parameter are important factors in studying the mixed mode interface crack- tip fields. These fields are controlled by the viscosity coefficient, the Mach number, and the singularity exponent.     

Impact-tension compression test by using a split-Hopkinson bar

A new impact-tension-compression testing technique based on a one-dimensional elastic-stress-wave theory has been developed. The technique was applied to investigate dynamic response in pure iron. The experimental results of the loading wave agreed well with the theoretical prediction. The stress, strain, and strain rate of a specimen during impact were evaluated with the aid of a stress-wave analysis. A new experimental technique has been developed to investigate the dynamic-hysteresis loop and the dynamic Baushinger effect in materials. It is presently being developed for applications to dynamic-fatigue studies.