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.      

新型碳酚醛材料状态方程研究

碳酚醛材料在航空航天领域有着广泛的应用,其高压力学性能的研究逐渐受到人们的关注。本文通过轻气炮实验,开展了新型碳酚醛材料冲击压缩力学性能研究。采用非对称碰撞直接测量法测量并计算了击波速度(D)与波后粒子速度(u),建立了D-u型的Hugoniot曲线,并由此推导了两种P-η型的状态方程。进一步,建立了该材料的Murnaghan状态方程,求得了相应的材料参数,并对Murnaghan状态方程和P-η型Hugoniot状态方程进行了比较和分析。     

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。     

TC材料的低压Hugoniot参数实验测量研究

采用高阻值锰铜压阻传感器,并通过一级轻气炮实验对TC材料的低压Hugoniot参数C0,λ进行了测量,实验得到的压力曲线与理论分析基本一致,并对压力曲线与密实材料的理论波形进行了比较和分析。通过对实验结果进行最小二乘法拟合,得到了该材料低压冲击时的Hugoniot压缩线以及低压Hugoniot参数C0,λ。拟合结果表明:该多孔材料的低压D-u线具有较大的分散性。     

Mo-ZrC梯度金属陶瓷的冲击响应行为

分层梯度材料特定的梯度变化能有效增强材料性能。为研究梯度结构、冲击方向对分层梯度材料冲击响应的影响，利用分离式霍普金森压杆结合高速摄影技术对Mo-ZrC分层梯度金属陶瓷进行了动态压缩实验，基于数字图像相关技术讨论了梯度结构、冲击方向对金属陶瓷材料破坏模式的影响，利用Mori-Tanaka理论计算得到金属陶瓷等效性质，结合应力波理论研究波在分层梯度复合材料中的传播规律。结果表明：(1)相同加载条件下，梯度结构对材料的强度、韧性和破坏产物的完整性具有重要影响，在冲击过程中，样品响应可以分为压紧阶段、裂纹成核发展阶段和贯穿阶段，对于不同梯度结构和冲击方向，样品在加载过程中呈现出不同的破坏时序和失效模式；(2)利用数字图像相关方法跟踪分层梯度陶瓷的局部变形发展，分析发现局部增量达到临界状态后，局部变形发展转化为微裂纹的形成和累积，最终导致整体性破碎失效；(3)通过分层梯度材料一维应力波传播理论推导得到，改变冲击梯度方向对应力波透反射系数存在一定影响，不同梯度结构设计对改变冲击梯度方向敏感性不同，且存在极值情况。     

基于反向撞击法的JB-9014炸药Hugoniot关系测量

为了获得JB-9014未反应炸药的Hugoniot关系，在火炮加载平台上利用反向撞击技术对JB-9014炸药进行一维平面冲击实验。将JB-9014炸药样品作为飞片安装于弹托前表面，将镀膜氟化锂窗口作为装置靶。利用火炮加速弹托，使炸药样品以一定速度撞击镀膜氟化锂窗口，通过光子多普勒测速仪(photonic Doppler velocimetry，PDV)测量炸药样品击靶速度以及炸药/镀膜氟化锂窗口界面粒子速度。最终根据冲击波阵面守恒关系计算获得了JB-9014炸药冲击Hugoniot数据，采用正交回归直线拟合得到了炸药样品在3.1～8.2 GPa压力范围内的冲击Hugoniot关系:D_s=2.417+2.140u_s (D_s和u_s的单位均为km/s)。结果表明:该方法测试精度较高，响应时间快(小于5 ns)，同时该方法可以对炸药的反应情况进行检测，便于判断实验是否测得真实的未反应炸药冲击Hugoniot数据。     

多孔铁电陶瓷冲击压缩响应与损伤演化的离散元数值模拟

采用flat-joint粘结模型，建立多孔铁电陶瓷在一维应变冲击压缩下的PFC (particle flow code)颗粒流离散元模型，通过数值模拟再现了平板撞击实验中实测的自由面速度剖面历史，并揭示了多孔铁电陶瓷在冲击压缩下的响应过程与损伤演化机制。多孔铁电陶瓷在冲击压缩下的响应过程可分4个阶段:弹性变形、失效蔓延、冲击压溃变形、冲击Hugoniot平衡状态；其中，失效蔓延的内在机制是由剪切裂纹的成核与增长，而冲击压溃变形的主要机制是孔洞的塌缩以及层状剪切裂纹的形成与扩展；冲击速度与孔隙率对铁电陶瓷的响应有显著的影响，Hugoniot弹性极限强烈依赖于孔隙率，但与冲击速度的大小无关，宏观损伤累积随着冲击速度和孔隙率的增加而增加。     

爆炸焊接界面波物质点法三维数值模拟

基于冲击动力学和爆炸焊接理论,采用物质点法对爆炸焊接界面波的形成进行三维数值模拟。通过数值模拟结果与爆炸焊接实验结果的对比,对复合界面材料的塑性流动变形以及界面波形成的机理进行探讨。结果表明:界面波是因为在碰撞点处的金属材料发生熔化并产生涡旋流动形成的;同时也说明采用物质点法模拟爆炸焊接界面波的形成是可行的。     

用VLW 状态方程计算水的冲击Hugoniot曲线

采用L-J(Lennard-Jones12-6)势函数,结合VLW 状态方程,计算了水的冲击压缩Hugoniot曲线。 将理论计算结果与实验结果进行了比较,当势函数参数/K=120、b0=30.42时,计算值与实验符合较好。与 采用BKW 状态方程计算结果相比,VLW 状态方程能够更准确地描述水的冲击Hugoniot曲线。     

HPFRCC梁柱组合件节点核心区力学性能及计算模型研究

为了研究高性能纤维水泥基复合材料(High-PerformanceFiberReinforcedCementitiousComposites,HPFRCC)对框架结构节点核心区力学性能的影响，本文对6个预期损伤部位采用HPFRCC材料的带板梁柱组合件和1个钢筋混凝土(Reinforced Concrete, RC)梁柱组合件进行拟静力试验，分析其节点核心区受剪承载能力、变形能力等．研究结果表明，与RC梁柱组合件节点相比，HPFRCC梁柱组合件节点核心区的受剪承载力提高了11.1%；峰值点的剪切变形减小了10.3%，节点核心区剪切变形对层间变形的贡献比率降低了22.7%．柱端弯矩增大系数的取值和翼缘板的宽度取值对HPFRCC节点核心区的剪切变形有显著影响，柱端弯矩增大系数达到1.6或者翼缘板宽度取值为8倍板厚都可以使节点核心区峰值点对应的剪切变形控制在0.01左右．采用BPE(Bayesian Parameter Estimation)方法进行理论分析，分别建立HPFRCC梁柱节点的剪切强度计算模型和剪切变形计算模型，模型分析结果与试验结果符合较好．     

压剪联合冲击下K9玻璃中的失效波

对K9玻璃进行了冲击速度为150~400 m/s,倾斜角为10、15的纵剖试样斜撞击实验。结果表明，在加载剪切横波(S+)和卸载纵波(P-)之间有波速超过了纵波波速的波阵面存在，此波的存在对卸载纵波和卸载横波的幅值有一定的影响。由于失效波的产生与材料的表面性质密切相关，为消除纵剖试样中间界面的影响，模拟VISAR的实验条件，进行了冲击速度为70~300 m/s、倾斜角为10的横剖试样斜撞击实验。可以确定在此冲击范围失效波的波速在0.98~1.4 km/s，产生失效波的临界状态为:压应力0.86~1.01 GPa，对应剪应力0.053~0.071 GPa。表明剪应力的存在极大降低了失效波产生的阈值。在此基础上初步分析了撞击面的动摩擦因数和相对滑移速度。     

加载速率对40Cr钢Ⅱ型动态断裂特性的影响

采用新型Ⅱ型动态断裂测试技术,对高强钢40Cr在高加载速率下的Ⅱ型动态断裂特性进行了测试研究。基于新设计的Ⅱ型动态断裂试样和分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）技术,通过实验-数值方法确定了裂尖在加载过程中的应力强度因子曲线。采用应变片法确定了试样的起裂时间,最终得到40Cr的Ⅱ型动态断裂韧性值,并对其加载速率相关性和材料的失效机理进行了研究。结果表明,在1.08～5.53 TPa·m1/2/s的加载速率范围内,40Cr的Ⅱ型动态断裂韧性基本表现为与加载速率成正相关的变化趋势。通过对试样断口形貌的分析,确定了材料的失效模式及机理,发现随着加载速率的增加,存在拉伸型失效向绝热剪切型失效模式转变的现象。     

过渡层对锆/钢爆炸复合板剪切强度的影响

为了考察钛作为过渡层提高锆/钢复合板结合强度的有效性,同时给出合理的爆炸焊接碰撞参数,对双层锆/钢和三层锆/钛/钢进行了小倾角法爆炸焊接实验研究。借助金相显微技术测量了复合板结合界面的波形参数,采用光滑粒子动力学法模拟得到了不同位置的碰撞速度和碰撞角,并按照国家标准(GB/T 6396-2008)测量了复合板结合界面的爆炸态及退火态的剪切强度。结果表明:钛作为过渡层能够显著提高锆/钢界面的剪切强度;退火消除加工应力后,锆/钢及钛/钢结合面的剪切强度会有所降低;当锆/钛界面的碰撞速度为734~805 m/s,碰撞角为19.8°~20.8°,钛/钢界面的碰撞速度为803~904m/s,碰撞角为19.5°~20.5°时,锆/钛/钢三层复合板的锆/钛和钛/钢界面的剪切强度都能高于140 MPa。     

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104s-1以内应变率的动态力学性能.在超过104s-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103~105s-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1400~75000s-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.      

弹体贯穿混凝土数值模拟的改进材料模型

研究混凝土结构在冲击载荷下的力学特性对武器以及防护结构的设计和评估具有重要意义,而合适的材料模型可以更准确地预测混凝土结构的力学行为和破坏模式。因此,本文中提出了一种改进的混凝土塑性损伤材料模型来描述其在冲击载荷下的力学响应。该改进模型考虑了压力-体积应变关系、应变率效应、洛德角效应和塑性损伤累积对混凝土材料力学特性的影响,并引入了一个与损伤相关的硬化/软化函数来描述压缩状态下的应变硬化和软化行为。随后,通过对3个独立的强度面进行线性插值得到了该改进模型的破坏强度面,并采用部分关联流动法则考虑了混凝土材料的体积膨胀特性。最后,开展了单个单元在不同加载条件下和弹体贯穿钢筋混凝土靶的数值模拟,验证了该改进模型的可行性、准确性以及预测性能提升。     

绝热剪切损伤和破坏的数值模拟研究

绝热剪切破坏是冲击载荷作用下金属材料中经常出现的一种重要破坏模式,尽管已经在实验中观察到了绝热剪切带内部的损伤现象,但是在理论和计算模型中往往还只是考虑它的热软化效应,对与之伴随的损伤破坏效应却鲜有讨论．该文在前人实验的基础上,提出了一个适用于绝热剪切带内部微孔洞损伤发展的演化方程,并在本构方程中同时考虑了温度和损伤对材料的影响,成功地模拟出了绝热剪切带的热软化效应和损伤破坏效应．     

评估TiN薄膜与基材结合的划痕试验及有限元模拟

通过有限元模型模拟划痕试验得到的结果表明∶切应力的起伏变化?膜/基界面处切应力差值?接触区附近膜层表面张应力?高载下的几种应力集中等,对膜/基体系的失效都有重要的作用.通过模型计算临界载荷下的膜/基界面处切应力差值,可用来评价膜层与基材的结合强度;提出了划痕试验中膜/基体系失效的2种机制.不同性能基材的TiN膜/基体系划痕试验结果,可验证本文有限元模拟的有效性,并表明临界载荷是膜/基结合强度?体系承载能力?内聚结合性能等的综合反映;低载往复摩擦磨损试验的结果进一步证实,用划痕试验的临界载荷评估膜/基结合强度具有局限性.     

Dynamic fracture of concrete – compact tension specimen

The behavior of concrete structures is strongly influenced by the loading rate. Compared to quasi-static loading concrete loaded by impact loading acts in a different way. First, there is a strain-rate influence on strength, stiffness, and ductility, and, second, there are inertia forces activated. Both influences are clearly demonstrated in experiments. Moreover, for concrete structures, which exhibit damage and fracture phenomena, the failure mode and cracking pattern depend on loading rate. In general, there is a tendency that with the increase of loading rate the failure mode changes from mode-I to mixed mode. Furthermore, theoretical and experimental investigations indicate that after the crack reaches critical speed of propagation there is crack branching. The present paper focuses on 3D finite-element study of the crack propagation of the concrete compact tension specimen. The rate sensitive microplane model is used as a constitutive law for concrete. The strain-rate influence is captured by the activation energy theory. Inertia forces are implicitly accounted for through dynamic finite element analysis. The results of the study show that the fracture of the specimen strongly depends on the loading rate. For relatively low loading rates there is a single crack due to the mode-I fracture. However, with the increase of loading rate crack branching is observed. Up to certain threshold (critical) loading rate the maximal crack velocity increases with increase of loading rate, however, for higher loading rates maximal velocity of the crack propagation becomes independent of the loading rate. The critical crack velocity at the onset of crack branching is found to be approximately 500 m/s.     

PROGRESSIVE FRACTURE MODELING OF THE FAILURE WAVE IN IMPACTED GLASS

The failure wave has been observed propagating in glass under impact loading since 1991. It is a continuous fracture zone which may be associated with the damage accumulation process during the propagation of shock waves. A progressive fracture model was proposed to describe the failure wave formation and propagation in shocked glass considering its heterogeneous meso-structures. The original and nucleated microcracks will expand along the pores and other defects with concomitant dilation when shock loading is below the Hugoniot Elastic Limit. The governing equation of the failure wave is characterized by inelastic bulk strain with material damage and fracture. And the inelastic bulk strain consists of dilatant strain from nucleation and expansion of microcracks and condensed strain from the collapse of the original pores. Numerical simulation of the free surface velocity was performed and found in good agreement with planar impact experiments on K9 glass at China Academy of Engineering Physics. And the longitudinal, lateral and shear stress histories upon the arrival of the failure wave were predicted, which present the diminished shear strength and lost spall strength in the failed layer.