基于数字图像相关方法对冲击载荷下泡沫铝全场变形过程的测试

应用分离式霍普金森压杆(以下简称SHPB)和高速摄影装置研究了冲击载荷下泡沫铝试件全场变形的测量方法。使用SHPB对泡沫铝试件进行冲击压缩实验，同时用高速摄影装置对实验过程进行全程跟踪拍摄。将得到的高速摄影图像采用数字图像相关方法进行分析，由此可得到冲击压缩过程中泡沫铝试件全场应变的分布和变化规律。此研究揭示了冲击载荷下泡沫铝试件局部化变形的发展过程，为研究泡沫铝在不同冲击载荷下不同变形模式的内在机制提供了新的可靠的方法。     

应用高速摄影机对泡沫铝在SHPB实验过程的变形跟踪与分析

SHPB技术虽然能方便地得出材料的动态应力应变关系,但却不能直观地揭示材料在经受冲击荷载时的变形特征,而这恰恰是泡沫金属力学性能研究的重要方面.为此,本文设计了一套SHPB-高速摄影机系统,借此系统对SHPB实验中的泡沫铝试件进行了实时的变形跟踪拍摄,然后应用图像处理软件对泡沫铝试件的动态变形进行分析并提取了位移信息,...     

变形模式对多孔金属材料SHPB实验结果的影响

利用两种改进后的Hopkinson杆实验分别测得多孔金属材料冲击端和支撑端的应力.实验结果及高速摄影表明,随着撞击速度的增加,试件两端的应力均匀性变差,分别对应着泡沫材料的3种变形模式:准静态模式、过渡模式、冲击模式.实验得出在冲击模式下,冲击端与支撑端的应力与试件的厚度无关,但是与试件的密度有关.在多孔金属的高应变率实验中,变形模式对SHPB实验有很大的影响,轴向惯性(波动)效应会导致试件两端的应力不均匀,此时利用SHPB得出的实验结果将会是应变率效应和惯性效应的耦合,不能真实反映材料的动态力学性能(应变率效应).     

通孔泡沫铝的动态压缩行为

在SHPB装置上对渗流法制备的通孔泡沫铝进行了动态压缩实验,研究了相对密度为0.341~0.419的通孔泡沫铝在10-3~2000 s-1应变率范围内的压缩响应特征和应变率相关性,并用扫描电镜（scanning electron microscope,SEM)分析了泡沫铝的压缩变形特征。实验结果表明,通孔泡沫铝有明显应变率效应,随应变率上升,泡沫铝流动应力提高。SEM观察结果揭示,在动态压缩下,通孔泡沫铝宏观上均匀变形,微观变形机制以泡孔横向伸展坍塌为主。     

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．     

不同冲击速度下泡沫铝变形和应力的不均匀性

利用常规Hopkinson杆实验装置和改进的Hopkinson杆实验装置对泡沫铝试件进行冲击压缩实验，同时用高速摄影装置对实验过程进行全程跟踪拍摄。通过改变冲击速度，观测到了3种不同的变形模式。将得到的高速摄影图像用数字图像相关方法进行分析，讨论了3种模式下全场应变不同的发展过程，并依此讨论应力的不均匀性，为研究不同冲击速度下变形不均匀对泡沫铝动态力学行为的影响提供了新的方法。     

泡沫铝泡孔动态变形特性研究

在SHPB实验中采用应变冻结法将试件冻结于设定的压缩应变,然后观察内部泡孔的变形情况并讨论其变形机理。分别对同一相对密度(40%)、不同基体材料的两种泡沫铝以及两种相对密度(19%和8%)、相同基体材料的泡沫铝进行实验,讨论了基体材料的本构关系、泡沫的相对密度对变形模式的影响。利用ANSYS/LS DYNA软件对泡沫铝在动态压缩时泡孔的变形进行数值模拟计算,进一步说明泡沫铝泡孔变形的模式与基体材料本构关系及相对密度的关系。     

一种用于软材料测试的改进SHPB装置

本文提出了一种新的、用于测试橡胶、高弹体及高聚物软泡沫材料动态力学性能的SHPB改进装置。该装置取消了常见的入射杆而采用长杆弹直接撞击试件从而实现了持续的长时间加载，使得在相当大的应变率范围内试件的最大应变在一个加载过程中即可达到。配合该装置采用了瞬态响应优良、分辨率良好的光电式位移测试系统来测量试件的变形；为记录微弱的应变信号，在透射杆中使用了半导体应变片。本方案克服了传统SHPB在测试软材料时由于子弹长度限制带来的加载幅度不足及由于阻抗失配导致的应变信号微弱的困难；与采用高聚物杆的SHPB改进方案相比，本方案的测试结果也更为可靠。在试验装置中还运用了加载整形技术以改善试件中的应力均匀性。从测试结果看，该装置能有效地实现大变形范围、近似恒应变率持续加载以及相应的微弱应变信号的测量。     

基于SHPB的UHPC冲击试验径向惯性效应分析

为探讨UHPC试件惯性效应对SHPB加载过程的影响，采用大型有限元分析软件LS-DYNA从试件直径、长径比以及恒应变率加载等角度出发，开展了相应的数值模拟与分析。通过对软件中Karagozian-Case-Concrete (KCC)损伤模型参数取值进行优化，建立了基于SHPB技术的UHPC材料冲击压缩数值模型并与试验验证。在此基础上，开展不同UHPC试件直径、长径比以及有无整形器下的参数分析，探讨其对SHPB试验中径向惯性效应的影响。结果表明:(1)为实现加载过程中一维应力传播和UHPC试件应力平衡，试件直径建议按0.90～0.95倍杆件直径取值；(2) UHPC试件长径比对试件加载过程中的应力平衡影响较小，但综合试件中钢纤维分布均匀性以及破坏前一维应力传播，建议按0.35～0.45取值；(3)实现恒应变率加载是UHPC材料在SHPB冲击试验中消除径向惯性效应的重要前提。     

聚氨酯泡沫铝动力学性能实验及本构模型研究

为了改进泡沫铝的动态吸能性能,将聚氨酯填充到开孔泡沫铝中制备成复合材料。通过霍普金森杆(SHPB)冲击实验,研究包含相对密度、应变、应变率和聚氨酯含量等影响因素的聚氨酯泡沫铝材料的动力学性能,并建立了动态本构模型。实验结果表明,聚氨酯泡沫铝的动态弹性模量与相对密度无关,屈服强度和流变应力与应变率和泡沫铝的相对密度成正比;聚氨酯泡沫铝的屈服强度与泡沫聚氨酯质量增加近似呈线性关系。所建立的动态本构模型在相对密度和应变率在一定的变化范围内与实验数据吻合较好。     

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。     

泡沫铝在SHPB高温动态下的变形过程研究

利用分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置研究轻质泡沫铝在动态压缩下的温度相关性,重点设计了一种基于SHPB的可视化高温炉,在此基础上通过高速摄影观测泡沫铝试件在高低温且动态压缩下的变形过程。动态加载下的实验结果表明：常温下,胞壁在变形过程中易于观察到屈曲失稳、撕裂、弯曲等现象,且在压缩的过程中碎片飞溅;高温下材料软化较明显,呈现出更多的塑性弯曲现象,但是屈曲失稳与撕裂的现象并不显著,变形过程中并无碎片产生。     

泡沫铝合金动态力学性能实验研究

利用分离式霍布金森压杆(SHPB)实验技术和MTS材料实验机对两组不同孔径、不同密度的开孔泡沫铝合金进行了准静态和动态压缩实验研究。实验结果表明:泡沫铝合金的静态和动态变形过程均具有泡沫材料变形的三个阶段特征。开孔泡沫铝合金的变形是均匀变化过程，并不出现局部的变形带。与相对密度对力学性能的影响相比，孔径大小的影响可以忽略不计。在考察的应变率范围内，屈服应力对应变率并不很敏感。     

Full-field characterization of mechanical behavior of polyurethane foams

The foam material of interest in this investigation is a rigid closed-cell polyurethane foam PMDI with a nominal density of 20 pcf (320 kg/m³). Three separate types of compression experiments were conducted on foam specimens. The heterogeneous deformation of foam specimens and strain concentration at the foam–steel interface were obtained using the 3-dimensional digital image correlation (3D-DIC) technique. These experiments demonstrated that the 3D-DIC technique is able to obtain accurate and full-field large deformation of foam specimens, including strain concentrations. The experiments also showed the effects of loading configurations on deformation and strain concentration in foam specimens. These DIC results provided experimental data to validate the previously developed viscoplastic foam model (VFM). In the first experiment, cubic foam specimens were compressed uniaxially up to 60%. The full-field surface displacement and strain distributions obtained using the 3D-DIC technique provided detailed information about the inhomogeneous deformation over the area of interest during compression. In the second experiment, compression tests were conducted for cubic foam specimens with a steel cylinder inclusion, which imitate the deformation of foam components in a package under crush conditions. The strain concentration at the interface between the steel cylinder and the foam specimen was studied in detail. In the third experiment, the foam specimens were loaded by a steel cylinder passing through the center of the specimens rather than from its end surface, which created a loading condition of the foam components similar to a package that has been dropped. To study the effects of confinement, the strain concentration and displacement distribution over the defined sections were compared for cases with and without a confinement fixture.     

填充硅橡胶的泡沫铝复合材料的力学性能

用渗流法向开孔泡沫铝-硅合金和泡沫纯铝中充填硅橡胶获得含硅橡胶的泡沫材料, 在材料试验机和SHPB上对含硅橡胶的复合材料进行动态与准静态压缩实验。实验结果表明:含硅橡胶的泡沫复合材料只有弹性段和塑性段两个阶段,具有更高的应变率敏感性,其应力-应变曲线抖动幅度比较大。