金属拉扭强度关于材料声速及加载速率最小二乘法的回归模型

为了研究不同加载速率下金属的拉扭强度及其预测方法,利用声发射检测仪及电子拉扭试验机分别对铸铁和中碳钢标准试件进行了声速测定及不同加载速率、加载路径下的拉伸-扭转组合变形试验,得到了各试件材料的声速值及相应加载方案下的载荷-变形曲线;根据平面应力状态及强度理论,推导出了材料拉扭破坏的最大正应力、最大剪应力;利用试验中采集的最大轴力、最大扭矩计算得到了材料的拉扭破坏应力、破坏面方向;基于最小二乘法拟合得到了材料拉扭强度关于材料声速值、拉伸与扭转加载速率的多元回归模型。研究表明:随着拉伸与扭转加载速率的增加,铸铁、碳钢的破坏应力分别呈现总体上升、总体下降的趋势;相同加载速率、不同加载路径下材料的破坏强度各不相同;建立的回归模型能较好地预测给定材料在不同加载速率下的破坏应力,并以此建立塑性及脆性材料的拉扭强度条件。     

多轴加载下混凝土细观破坏模拟的强度准则探讨

实际工程结构中混凝土材料大多处于双轴或三轴的复杂应力状态,已有的细观力学数值研究工作大多针对单轴加载问题,对于双轴或者三轴加载条件下混凝土破坏模拟的研究相对较少。复杂受力条件下的混凝土材料破坏模拟中,细观组分强度准则选取的合理与否将成为混凝土破坏模式及宏观力学性能数值研究准确和成功与否的关键。本文旨在探讨单轴强度准则,如最大拉应变准则在多轴加载条件下混凝土破坏过程研究中运用的合理性。鉴于此,首先在细观尺度上建立了混凝土试件的二维随机骨料模型,分别采用弹性损伤本构关系模型及塑性损伤本构关系模型来描述细观组分(即砂浆基质)的力学性能,对双轴加载条件下混凝土的细观破坏过程进行数值模拟,对比了单轴强度准则和多轴强度准则下混凝土试件破坏路径及宏观应力-应变关系的差异。数值结果表明,简单的单轴强度准则难以反映双轴加载下混凝土内部应力状态的复杂性,不宜采用单轴强度准则来描述多轴加载下混凝土的破坏行为。     

激光诱导应力波测量薄膜界面强度研究进展

薄膜界面强度是影响多层薄膜装置性能的重要参数。激光诱导应力波技术是在可控制和非接触条件下定量测量薄膜界面强度最有效的技术之一。在采用高强度应力波短脉冲加载实现界面层裂的同时，通过光学测量薄膜自由面瞬态位移，并利用应力波理论计算得到临界界面强度。通过精确控制试样几何形状及尺寸，包括拉伸、剪切和复合型在内的各种界面加载模式都可以实现。本文对激光诱导应力波测量薄膜界面强度研究进展进行了综述，并特别强调了不同加载模式的实现方法，高强度超薄薄膜的界面测量技术，以及如何通过辨别薄膜自由面瞬态位移光学干涉信号中的某些特殊性征来实时判断和测量界面的层裂。     

建筑织物膜材双轴剪切试验与分析

为了研究建筑织物膜材的剪切力学性能,提出一种新的剪切测试方法。采用中心区域宽度和四臂长度均为16cm的十字形试件,试件纱线的经纬向与加载方向呈45°角。根据膜材变形和应力关系,推导了剪应力和剪应变的计算方法。定义了使试件中心区域产生三个循环剪应力场的加载谱,循环产生正负交替的剪切应力。试验采用表面抛光的(Polyvinylidene Fluoride,聚偏氟乙烯)涂层膜材,测量x、y两个方向的应力和应变,通过计算得到剪切应力应变曲线,并对试验结果进行分析。结果表明,新的剪切测试方法能够反映建筑织物膜材剪切力学性能。最后通过有限元方法模拟材料受剪状态下的应力和应变,与试验得到的应力值和应变值相近。     

风沙粒子冲击钢结构涂层力学行为的理论与有限元分析

利用接触力学理论和三维有限元分析了钢结构受到风沙粒子冲击后其涂层表面接触区应力、涂层内部应力、涂层与基体界面上应力的分布规律。分析结果表明:涂层表面径向应力在接触中心出现最大压应力,在接触区边缘出现最大拉应力,且在接触区边缘易发生环状撕裂破坏;在涂层内部,涂层对Z向应力的承受力较好;涂层内部剪应力的最大值出现在碰撞接触点的左下方和右下方,这两个位置易受到剪切破坏,在接触点和剪应力最大值之间的剪应力变化速度较大;涂层与基体界面上r/h为0~0.4时,Z向应力变化较小;在r/h为0.4~1时,Z向应力剧烈减小;r/h1时,Z向应力基本保持不变;涂层与基体界面上剪应力最大值出现在冲击点附近,且冲击点附近剪应力变化较大,易引起剪切撕裂破坏。     

镁合金MB2在高应力三轴度下的拉伸破坏行为研究

通过光滑试件及不同曲率半径缺口圆柱试件的拉伸试验,实现对镁合金MB2的单向及多向应力状态加载。结合数值模拟分析,研究了不同试件在拉伸加载过程中应力状态的变化。以应力三轴度为参数,给出了镁合金MB2等效破坏应变的变化规律,在应力三轴度-等效破坏应变空间建立了镁合金MB2的失效破坏准则。利用扫描电镜对试件断口形貌进行观察,分析了导致材料宏观延性变化的微观损伤机理,对不同应力状态下镁合金MB2的失效破坏行为做出了合理解释。     

激光诱导应力波测量薄膜界面强度研究进展

薄膜界面强度是影响多层薄膜装置性能的重要参数.激光诱导应力波技术是在可控制和非接触条件下定量测量薄膜界面强度最有效的技术之一.在采用高强度应力波短脉冲加载实现界面层裂的同时,通过光学测量薄膜自由面瞬态位移,并利用应力波理论计算得到临界界面强度.通过精确控制试样几何形状及尺寸,包括拉伸、剪切和复合型在内的各种界面加载模式都可以实现.本文对激光诱导应力波测量薄膜界面强度研究进展进行了综述,并特别强调了不同加载模式的实现方法,高强度超薄薄膜的界面测量技术,以及如何通过辨别薄膜自由面瞬态位移光学干涉信号中的某些特殊性征来实时判断和测量界面的层裂.     

碳/碳复合材料T型悬臂梁弯曲失效分析

首次对碳/碳复合材料T型结构件进行了悬臂梁弯曲试验。通过化学气相沉积工艺制备了宽度为40mm的T40试件和宽度为50mm的T50试件,分别对两种试件的损伤失效模式和弯曲应力进行了研究;根据结构破坏区域的应变随载荷增加的变化规律,得到了结构在弯曲过程中的损伤失效进程。结果发现,在悬臂梁弯曲载荷作用下,结构处于正应力和剪应力耦合状态,耦合应力会使宽厚比较小的结构件容易在腹板根部出现局部失稳现象。应用横力弯曲理论对结构破坏截面上腹板边缘的正应力和面内剪切应力进行了简单计算。结果表明:屈曲失效的T50试件比剪切型破坏的T40试件的最大弯曲正应力小22.93%,说明屈曲失效会使结构的弯曲强度大幅下降;而T50试件的最大剪切应力比T40试件的高31.46%,说明屈曲失效主要由材料的剪切性能控制。最后通过有限元方法对T50试件在发生剪切型破坏时的最大弯曲正应力进行了计算,计算结果与试验中发生压缩剪切破坏的T40试件相比仅相差3%,可以较好地表征T50试件的弯曲强度。     

压缩-剪切复合应力下PMMA材料的静态力学特性研究

通过压缩具有一定倾斜角(0°,10°,15°,20°和25°)试件和双剪切模型试件,实现了单轴压缩、压缩-剪切复合应力以及纯剪切三种应力状态,得到PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)在相应应力状态下的应力-应变曲线,同时对不同应力状态下试件的破坏模式进行了分析。结果表明:在不同受力环境中材料的强度和破坏的机理不同;同单轴压缩状态下相比,材料在压缩-剪切复合应力状态下屈服极限、强度极限以及破坏应变均不同程度的增大,呈现明显的"剪切增强"现象。单轴压缩与压缩-剪切应力状态下试件的破坏模式均为在试件短对角面上出现明显的剪切屈服带,由应力分析得出试件剪应力在短对角面上达到最大,引起在此平面上分子链间滑动从而产生应变软化形成剪切屈服带;双剪切试件的破坏模式为与剪切面呈45°的斜面。     

三轴SHPB冲击作用下岩石破坏机理的研究

本文应用三轴SHPB高速冲击试验机对岩石试体进行三向应力状态（对试件施加围压2=3和冲击应力1）下的冲击试验,分析研究岩石的破坏机理。由试验结果对三轴状态下岩石的破坏类型进行分类,分析其内部受力状况;得出岩石动态破坏强度,画出动态三轴、动态单轴和静态单轴的破坏强度比较曲线。通过对破坏类型的分析,以最大剪应力条件建立岩石的破坏判据,建立三轴动态破坏强度、单轴动态破坏强度与围压的关系式。     

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。     

一种基于SHTB的Ⅱ型动态断裂实验技术

冲击剪切载荷作用下动态断裂韧性的测定是材料力学性能和断裂行为研究中重要组成部分.为了测定材料的Ⅱ型动态断裂韧性,许多学者采用不同的试样与实验方法进行了实验,但限于实验条件,裂纹断裂模式往往是I+Ⅱ复合型,而不是纯Ⅱ型,因而不能准确测得材料的Ⅱ型动态断裂韧性.鉴于此,本文基于分离式霍普金森拉杆(split Hopkinson tension bar,SHTB)实验技术,提出一种改进的紧凑拉伸剪切(modified compact tension shear,MCTS)试样,通过夹具对MCTS试样施加约束,从而保证试样按照纯Ⅱ型模式断裂.采用实验-数值方法对MCTS试样动态加载过程进行分析,将实验测得的波形输入有限元软件ANSYS-LSDYNA,得到了裂纹尖端应力强度因子-时间曲线,并与紧凑拉伸剪切(compact tension shear,CTS)试样进行了对比.同时采用数字图像相关法进行了实验,验证了有限元分析结果.结果表明,MCTS试样在整个加载过程中K_I K_Ⅱ,裂纹没有张开;而CTS试样在同样的加载过程中K_IK_Ⅱ,出现裂纹张开现象.这说明MCTS试样能够准确地测定材料的Ⅱ型动态断裂韧性,为材料动态力学测试提供了一种有效的实验技术.     

埋入式光纤传感器界面剪切强度实验

采用实验方法对光纤与基体间界面性能进行研究.用临界断裂长度法直接测定界面的剪切强度,由于光纤拉伸强度高于树脂基的拉伸强度,出现试验时基体破坏而光纤完整地从树脂基中拔脱的现象.用单丝拔出法测量光纤与基体之间界面剪切强度,试验结果表明,光纤单丝拔出时,总是出现光纤涂层在锚入端断裂,而纤芯从涂层中拔脱的现象,说明当光纤埋入复合材料中,涂层和基体材料结合为一体,光纤涂层与纤芯之间界面剪切强度最低.承载时,若光纤所受正应力超过σ_(max),会出现光纤涂层与纤芯之间界面脱离,产生裂纹,降低整体结构力学性能.     

瓷修复体界面断裂行为的模拟实验研究

本文利用云纹干涉法和云纹干涉－－有限元混合法，对瓷修复体的模拟双材料模型界面断裂问题进行了实验研究。用云纹干涉和数字错位云纹干涉法测量带边裂纹的双材料四点简支梁在剪切作用下界面表面的剪应变分布及界面两侧局部表面的位移场，实验表明，由于界面两两侧材料力学性质不同，表现出界面剪切断裂问题的非称性和裂尖附近复合型断裂的特点；用云纹干涉法和有限元法相结合的混合法对粘接界面角点应力奇异性进行研究，并对角点附近应力应变场作了分析，得到了应力奇异指数与边界楔角，载荷的关系，证明了用界面应力强度因子Kf来描述界面端部区域应力分布的公式，并得到了双材料界面端部区域的应力应变分布情况。本文的实验结果为进一步研究口腔金瓷修复体界面的优化设计提供了基础，同时也说明云纹干涉法对于双材料界面断裂行为的研究是有效的。     

Tensile and mixed-mode strength of a thin film-substrate interface under laser induced pulse loading

Laser induced stress waves are used to characterize intrinsic interfacial strength of thin films under both tensile and mixed-mode conditions. A short-duration compressive pulse induced by pulsed-laser ablation of a sacrificial layer on one side of a substrate is allowed to impinge upon a thin test film on the opposite surface. Laser-interferometric measurements of test film displacement enable calculation of the stresses generated at the interface. The tensile stress at the onset of failure is taken to be the intrinsic tensile strength of the interface. Fused-silica substrates, with their negative nonlinear elasticity, cause the compressive stress wave generated by the pulse laser to evolve a decompression shock, critical for generation of the fast fall times needed for significant loading of surface film interfaces. By allowing the stress pulse to mode convert as it reflects from an oblique surface, a high amplitude shear wave with rapid fall time is generated and used to realize mixed-mode loading of thin film interfaces. We report intrinsic strengths of an aluminum/fused silica interface under both tensile and mixed-mode conditions. The failure mechanism under mixed-mode loading differs significantly from that observed under pure tensile loading, resulting in a higher interfacial strength for the mixed-mode case. Inferred strengths are found to be independent, as they should be, of experimental parameters.     

A force-based failure criterion for spot weld design

This paper suggests a very simple, force-based formula that combines four failure modes into one dimensionless equation to govern spot weld failure under general static loading conditions. The four failure modes are shear, rotation, normal and peel. The normal separation mode and the peel mode are corresponding to mode I (opening mode). The tensile/shear mode is mode II (sliding mode), and the in-plane rotation mode is mode III (tearing mode). Test coupons and test fixtures are designed and tested to establish and verify this equation. To further verify this equation, a long difficult to understand automotive spot weld failure problem was studied. Applying finite element-calculated resultant loads to the proposed formula resulted in analytical values that correlated very well with the long time field observed spot weld failures. This analytical prediction reasonably explained the spot weld failure mechanism and provided good design directions to improve the durability of the auto structure.     

涂层厚度对喷涂层疲劳磨损寿命影响的实验研究

采用等离子喷涂制备了不同厚度的铁基涂层,采用扫描电子显微镜（SEM）表征了涂层内部和结合界面处的微观结构,采用球盘式疲劳磨损试验机分别考察了不同厚度涂层的疲劳磨损行为,采用Weibull分布分析并对比了涂层的疲劳磨损寿命。结果表明：适当地增加喷涂层的厚度可以避免整层分层失效的发生,而从在整体上提升涂层的疲劳磨损寿命。采用有限元分析（FEM）研究了涂层内部的应力分布,发现厚涂层界面剪切应力值不足薄涂层界面剪切应力的二分之一,可见显著降低界面剪切应力是较厚涂层拥有更好疲劳性能的主因。     

Dynamic behaviors of mode III interfacial crack under a constant loading rate

In an earlier study on intersonic crack propagation, Gao et al. (J. Mech. Phys. Solids 49: 2113–2132, 2001) described molecular dynamics simulations and continuum analysis of the dynamic behaviors of a mode II dominated crack moving along a weak plane under a constant loading rate. The crack was observed to initiate its motion at a critical time after the onset of loading, at which it is rapidly accelerated to the Rayleigh wave speed and propagates at this speed for a finite time interval until an intersonic daughter crack is nucleated at a peak stress at a finite distance ahead of the original crack tip. The present article aims to analyze this behavior for a mode III crack moving along a bi-material interface subject to a constant loading rate. We begin with a crack in an initially stress-free bi-material subject to a steadily increasing stress. The crack initiates its motion at a critical time governed by the Griffith criterion. After crack initiation, two scenarios of crack propagation are investigated: the first one is that the crack moves at a constant subsonic velocity; the second one is that the crack moves at the lower shear wave speed of the two materials. In the first scenario, the shear stress ahead of the crack tip is singular with exponent ?1/2, as expected; in the second scenario, the stress singularity vanishes but a peak stress is found to emerge at a distance ahead of the moving crack tip. In the latter case, a daughter crack supersonic with respect to the softer medium can be expected to emerge ahead of the initial crack once the peak stress reaches the cohesive strength of the interface.     

A New Experimental Technique for the Multi-axial Testing of Advanced High Strength Steel Sheets

This paper deals with the development of a new experimental technique for the multi-axial testing of flat sheets and its application to advanced high strength steels. In close analogy with the traditional tension-torsion test for bulk materials, the sheet material is subject to combined tension and shear loading. Using a custom-made dual actuator hydraulic testing machine, combinations of normal and tangential loading are applied to the boundaries of a flat sheet metal specimen. The specimen shape is optimized to provide uniform stress and strain fields within its gage section. Finite element simulations are carried out to verify the approximate formulas for the shear and normal stress components at the specimen center. The corresponding strain fields are determined from digital image correlation. Two test series are performed on a TRIP-assisted steel sheet. The experimental results demonstrate that this new experimental technique can be used to investigate the large deformation behavior of advanced high strength steel sheets. The evolution of the yield surface of the TRIP700 steel is determined for both radial and non-proportional loading paths.