爆炸载荷下板条边界斜裂纹的动态扩展行为

为了研究爆炸应力波作用下板条边界斜裂纹的动态扩展行为,首先分析了爆炸应力波在含边界斜裂纹板条中的传播,其次采用动态焦散线实验方法,进行了爆炸载荷下板条边界斜裂纹扩展规律的实验研究.研究结果表明,爆炸应力波作用下,板条试件边界斜裂纹的扩展过程中,裂纹扩展速度、扩展加速度和裂尖动态应力强度因子随时间波动变化,扩展速度最大值...     

二维小接触问题的焦散线分析

本文是以一组聚碳酸脂园盘试件,用焦散线法对小接触问题所进行的一系列实验分析,其中包括一个滚柱轴承的模拟分析,定量地得到了接触面宽度和面上的应力。对小接触奇异应力场给出可靠的定量结果,这是其他实验力学手段目前难以解决的。此外,本文的实验分析结果也与理论计算相当一致。     

韧性金属圆环高速膨胀碎裂过程的有限元模拟

用数值方法模拟了韧性金属圆环的自由膨胀碎裂过程. 采用Johnson-Cook 热黏塑性本构模型描述材料的动态变形和热软化特性, 采用包含内聚力失稳断裂准则的 Johnson-Cook型损伤断裂模型描述材料的破坏和分离过程, 采用结合单元消去技术的 ABAQUS/Explicit程序进行分析. 在特定膨胀速度下对多个圆环进行碎裂数值实验, 获得碎 片样本集合. 研究证实, Grady-Kipp基于塑性卸载波传播机制的韧性碎片尺寸公式可以较 好地预测碎片的平均长度. 模拟再现了圆环碎裂过程中塑性卸载波的传播, 揭示了Grady-Kipp公式合理性的物理基础.     

梯形应力脉冲在弹性杆中的传播过程和几何弥散

在应力波传播过程中,几何弥散效应往往难以避免.对应力波在弹性杆中传播的几何弥散效应进行解析分析,对于基础波动问题研究以及材料动态力学行为表征等课题,显得至关重要.本文简单说明了弹性杆中考虑横向惯性修正的一维 Rayleigh-Love应力波理论,概述了其波动控制方程的变分法推导过程;针对 Hopkinson杆实验中常用的梯形应力加载脉冲,建立了相应的偏微分方程初边值问题的求解模型,并运用 Laplace变换方法研究了脉冲在杆中传播的几何弥散现象;根据留数定理进行 Laplace反变换,给出了杆中不同位置和时刻的应力波的级数形式解析解,分析了计算项数对结果收敛性的影响;将解析计算结果与采用三维有限元数值模拟的计算结果进行对比,两者吻合程度良好,从而证明 Rayleigh-Love横向惯性修正理论可以有效地表征典型 Hopkinson杆实验中的几何弥散效应.在此基础上围绕梯形加载脉冲的弥散效应进行参数研究,定量描述了传播距离、泊松比、脉冲斜率等参数的影响.本文给出的 Rayleigh-Love杆在梯形加载条件下的解析解,揭示了几何弥散效应的本质规律,可以用于实际实验的弥散修正过程.      

非线性应力波传播理论的发展及应用

应力波传播理论是分析结构和材料在爆炸/冲击载荷作用下的响应及破坏特性的基础，在国防和民用工程上有重大价值。本文对作者们近半个世纪来在非线性应力波传播理论的发展及其工程应用方面所开展的主要研究作一回顾和讨论，包括：几类非线性应力波相互作用及失效，非线性粘弹性波传播理论及应用，动态破坏和应力波相互作用，以及应力波理论在防护工程中的应用等。     

梯形应力脉冲在弹性杆中的传播过程和几何弥散

在应力波传播过程中,几何弥散效应往往难以避免.对应力波在弹性杆中传播的几何弥散效应进行解析分析,对于基础波动问题研究以及材料动态力学行为表征等课题,显得至关重要.本文简单说明了弹性杆中考虑横向惯性修正的一维Rayleigh-Love应力波理论,概述了其波动控制方程的变分法推导过程;针对Hopkinson杆实验中常用的梯形应力加载脉冲,建立了相应的偏微分方程初边值问题的求解模型,并运用Laplace变换方法研究了脉冲在杆中传播的几何弥散现象;根据留数定理进行Laplace反变换,给出了杆中不同位置和时刻的应力波的级数形式解析解,分析了计算项数对结果收敛性的影响;将解析计算结果与采用三维有限元数值模拟的计算结果进行对比,两者吻合程度良好,从而证明Rayleigh-Love横向惯性修正理论可以有效地表征典型Hopkinson杆实验中的几何弥散效应.在此基础上围绕梯形加载脉冲的弥散效应进行参数研究,定量描述了传播距离、泊松比、脉冲斜率等参数的影响.本文给出的Rayleigh-Love杆在梯形加载条件下的解析解,揭示了几何弥散效应的本质规律,可以用于实际实验的弥散修正过程.     

固体介质中球形发散波的实验装置

建立了用于固体介质中球形发散波传播规律研究的实验技术 ,球形波源是当量为 0 .12gTNT和 0 .4 9gTNT的微型炸药球 ,波后粒子速度测计是圆环型电磁粒子速度计。用该实验和测量系统在有机玻璃和花岗岩中进行了大量的实验研究 ,实验的重复性很好。利用微型炸药球可在较小的样品中模拟较大比距离范围内的波传播。利用圆环型电磁粒子速度计可使输出信号幅度不受波强度因几何发散而快速衰减的影响 ,而且信号输出反映了波面上一条圆环线处介质动力学状态的综合平均结果。该技术的这些突出优点对研究固体介质 (特别是非均匀固体介质 )中球形发散波传播规律和相应的材料动力学特性研究具有重要意义。圆环型电磁粒子速度计测量技术同样适用于固体介质中圆柱形发散波的情况。     

固体中的非线性波

一、引言波的传播问题是物理学中的经典理论问题。从17世纪至今人们逐渐认识了各种类型的波。这些波的区别主要源于它们赖以传播的介质性质和具体问题条件的不同。在固体中传播的波通常称为应力波。于是,应力波的特征就依赖于固体的力学性质、几何形状和波源等条件的特征。人们最早认识的是各种弹性波,到十九世纪,弹性波的理论与实验研究有很大的发展,并大致形成了一个完整的理论体系,这是因为弹性理论的基本定     

应力波在变截面体中的传播特性

对应力波在变截面体中的传播特性进行了理论研究和数值分析。以杆中一维纵波波动理论和谐波分析法为基础，研究截面变化所导致的应力波的波形弥散和波幅变化。推导了与截面变化相关的应力波演化因子，并对由于截面变化所造成的几何弥散等二维效应进行了分析，同时计算了变截面体的几何特征参数和截面变化等因素影响应力波演化规律的特点。     

界面对应力波作用的动光弹试验研究

用动光弹法分析研究了在冲击载荷作用下界面上应力波的传播过程,利用应力波理论分析了界面上应力波的作用机理,证实了界面上存在着能量累积和阻滞能量传递的作用,并结合弹性波动理论和应力 光学定律导出了波动方程与条纹级数之间的关系式。     

Experimental study on crack curving propagation in bending beams under impulsive load

Dynamic fracture behaviour of crack curving in bent beams has been investigated. In order to understand the propagation mechanism of such cracks under impact, an experimental method is used that combines dynamic photoelasticity with dynamic caustics to study the interaction of the flexural waves and the crack. From the state change of the transient stresses in polymer specimen, the curving fracture in the impulsively loaded beams is analyzed. The dynamic responses of crack tips are evaluated by the stress intensity factors for the cracks running in varying curvature paths under bending stress wave. The project supported by the National Natural Science Foundation of China and the Scientific Commission of Yunnan Province of China     

含偏置裂纹三点弯曲梁的动态断裂行为研究

采用动态焦散线方法，对含偏置裂纹三点弯曲梁承受横向冲击的弯曲断裂行为进行了一系列动态断裂力学实验研究，分析了无量纲量ａ／ｌ的改变（ａ——初始裂纹偏离梁中心线的距离；ｌ——梁长度的一半）对于裂纹动态扩展行为（裂纹起始状态、裂纹尖端的复合应力强度因子、裂纹扩展速度、裂纹扩展轨迹）的影响，并借助动态光弹性应力分析，对应力波与扩展裂纹的相互作用以及应力波传播规律进行探讨．给出了裂纹尖端复合应力强度因子、裂纹扩展速度的变化、裂纹曲裂轨迹以及方向与梁中应力波传播的相互关系     

液压膨胀环恒应变率加载技术

膨胀环实验技术主要包括爆炸膨胀环实验技术和电磁膨胀环实验技术，实验过程中膨胀环的加载应变率在达到峰值后会随着圆环的膨胀而迅速降低，给研究应变率敏感材料的拉伸碎裂带来极大的不便。在前期提出的液压膨胀环实验技术的基础上，发展了一种恒应变率加载技术。首先，从理论上获得了实现金属圆环恒应变率膨胀所需的液压加载曲线的近似表达式；然后，采用有限元流固耦合数值模拟了液压膨胀环装置中1060-O铝环的膨胀碎裂过程，在给定液压加载曲线下，膨胀环的环向应变率在应变率稳定阶段上下波动范围最大不超过20%；并进一步研究了加载曲线对碎裂过程中应变率的影响规律。在液压膨胀环实验装置上对1060-O铝环开展了膨胀环实验，验证了恒应变率加载技术的可行性。     

破片撞击下YAG透明陶瓷复合靶的破坏特性

YAG透明陶瓷兼具有优秀的透光性能和抗冲击破坏性能,是武器装备透明部分的优秀防护材料,在军事装备、航天等国防领域具有良好的应用前景。冲击载荷下材料的加载响应特性对掌握材料破坏机制至关重要,能为透明复合靶设计提供依据。为获得YAG透明陶瓷多层复合靶的冲击破坏特性,利用内径9 mm的气体驱动发射平台进行了碳化钨球形破片在20～310 m/s速度下撞击YAG透明陶瓷复合靶的实验,通过高速摄影捕捉的陶瓷表面损伤演化过程,计算了典型径向、环向裂纹扩展速度。通过观测回收的靶体和YAG碎片的宏细观破坏特征,分析了撞击速度与靶体破坏特征之间的联系。结果表明,YAG陶瓷层径向裂纹和环向裂纹扩展速度均随着时间的延长线性降低,且裂纹扩展速度几乎不受撞击速度影响。陶瓷层中心粉碎区面积随撞击速度的提高而增大,且中间玻璃层破坏区域面积与陶瓷锥底面积相关联,陶瓷锥角与撞击速度关联性不强。同时,观察到陶瓷层在冲击破坏过程中出现了裂纹簇,获得了裂纹簇数量与破片撞击速度之间的关系,分析了裂纹簇的特征及其成因。裂纹变向、应力波作用会显著影响细观断面破坏特征。径向、环向和锥裂纹中沿晶断裂的比例均随着裂纹扩展距离的增大而增加,且穿晶比例随着撞击速度的提高而增加。     

冲击载荷下含空孔三点弯曲梁的动态断裂行为

为得到圆孔缺陷对运动裂纹扩展过程的影响规律,采用动态焦散线实验方法进行模型实验,研究了冲击载荷下含空孔三点弯曲梁的动态断裂行为。研究结果表明:空孔对裂纹扩展有极大的阻碍作用,在一定范围内,空孔直径越大,阻碍作用越明显。裂纹扩展到空孔附近时,扩展速度会下降。裂纹在空孔上部再次起裂后,最大扩展速度远远大于裂纹与空孔贯通前的最大扩展速度。裂纹扩展至空孔附近时,裂纹尖端动态应力强度因子KdⅠ和KdⅡ均会下降。裂纹在空孔上部再次起裂后,裂尖的应力强度因子KdⅠ和KdⅡ均大于裂纹与空孔贯通前裂尖的KdⅠ和KdⅡ。在整个扩展过程中,裂纹尖端的动态应力强度因子KdⅡ远小于KdⅠ,说明KdⅠ在裂纹扩展过程中起主要作用。     

液压膨胀环动态拉伸碎裂的有限元模拟

液压冲击膨胀环实验平台能有效地实现韧性金属圆环在高应变率拉伸载荷作用下的动态断（碎）裂。本文采用流固耦合的有限元数值计算方法，模拟了实验过程中金属圆环在高压液体作用下的运动、变形和断裂现象。分析了装置和试件的接触应力对试件碎裂过程的影响并讨论了如何实现液压对试件的有效加载。计算结果表明，实验中的初始接触应力和液体的较长时间加载对试件的碎裂过程没有显著影响；在合理的加载条件下，液压膨胀环实验技术是研究固体动态拉伸碎裂的有效手段。     

含裂纹三点弯曲梁起始扩展的动态分析

本文利用高速摄影捕捉含裂纹三点弯曲梁在冲击下裂纹扩展过程，借助动态焦散线对裂纹尖端初始曲线范围内的应力第二不变量分布进行了试验研究，并通过Ｄｅｔ．－准则对动载下裂纹起始扩展的条件和方向进行了分析。结果表明：裂纹扩展的实际方向与理论预测相一致；Ｄｅｔ．－准则与焦散线相结合在动态断裂力学研究中具有广泛的使用价值     

爆炸应力波作用下裂纹与孔洞的动态焦散线分析

将高速摄影技术与动态焦散线方法相结合，研究了爆炸应力波对裂纹、空孔的作用历史，记录了环绕它们的动态焦散斑图，给出了爆炸应力场中裂纹尖端复合应力强度因子的时间依赖关系以及空孔周围应力场分布的瞬态变化过程，为固体介质的爆破机理研究提供了新方法。     

冲击作用下含预制裂纹梁柱试件的动态断裂

利用焦散线实验系统，进行了冲击加载下含预制裂纹梁柱试件的断裂实验，研究了梁柱试件的梁柱节点、梁上和柱端裂纹的扩展轨迹、扩展速度和应力强度因子的变化规律。实验结果表明:受冲击后，试件首先在梁柱节点处开裂，并在裂纹扩展过程中发生明显的曲裂运动，证明梁柱节点处最容易受到破坏。预制裂纹条数越多，梁柱节点处开裂越晚，说明裂纹条数少，能量可以在裂纹尖端积聚得更集中、更快。含柱端预制裂纹的试件，2条裂纹的开裂相隔时间要长于含梁上预制裂纹的试件；同时，试件的第2条裂纹优先在梁上裂纹处开裂，说明固端支座比简支梁断裂需要更多的能量。随着预制裂纹的增多，梁上裂纹在扩展过程中的曲裂现象减弱, 由于部分能量在柱端裂纹处积聚，用于推动梁上裂纹扩展的能量相应地减少。并且由于柱端裂纹的存在，梁上裂纹受到的拉应力分量减小，导致裂纹尖端受到弯矩变小，影响了裂纹的曲裂运动。     

线性规律功能梯度材料断裂行为实验研究

焦散线方法与高速摄影技术结合，对线性规律功能梯度材料的I型静、动态断裂特性进行实 验研究，并利用有限元软件进行数值模拟. 首先推导了线性规律功能梯度材料静、动态裂尖 的焦散线初始曲线方程和参数方程，提出通过迭代方法根据功能梯度材料的复杂焦散线方程 求解应力强度因子. 为对比材料梯度对断裂行为的影响，利用重力沉降法制备了3种梯度变 化规律的试件. 然后对功能梯度材料试件进行三点弯曲实验，通过CCD和高速摄影装置采集 试件焦散线图像，提取各种静、动态断裂参数. 最后通过与有限元模拟结果进行对比，证明 在功能梯度材料断裂实验中焦散线方法的有效性，并详细分析了不同梯度变化规律对材料静、 动态断裂性能的影响.