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。     

基于三维Hopkinson杆的混凝土动态力学性能研究

混凝土、岩石类材料在复杂应力状态下的动态力学性能研究一直备受关注,但鉴于动态实验的复杂性,对真三轴应力状态下材料的动态加载一直未曾实现。本文中研制了一套真三轴静载作用下混凝土、岩石类材料的“三维Hopkinson杆”动态力学实验系统,为冲击载荷作用下材料动态各向异性特性的研究提供了一种有效的实验测试技术。该系统采用液压伺服控制对立方体试件施加三向独立的0~100 MPa真三轴静载,再利用分离式Hopkinson压杆对试件施加冲击动载,具体研究了C30混凝土材料在不同真三轴静载条件下的动态压缩性能,得到了不同条件下X、Y、Z方向上的动态应力应变关系。     

PMMA材料的动态压缩力学特性及应变率相关本构模型研究

利用INSTRON万能试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB)对PMMA试件在较宽应变率范围内进行了单轴压缩实验,研究加载应变率对PMMA材料力学性能的影响.利用扫描电子显微镜对回收的试样进行了显微观察,重点分析不同加载应变率下PMMA的微观损伤破坏模式.结果表明:随着应变率的增大,PMMA的流动应力显著地增加,且冲击加载条件下,峰值应力的应变率敏感性明显高于准静态;在准静态加载条件下,PMMA试样呈现明显的延性破坏特征,在动态加载条件下则表现为脆性破坏.最后,对PMMA材料的ZWT粘弹性本构模型参数进行了拟合,拟合结果与实验结果吻合较好,表明该本构模型能够较好地描述较宽应变率范围内PMMA材料的应力应变关系.     

一维应力预加载下红砂岩冲击力学特性试验研究

为研究高地应力下再受动力扰动的岩石力学特性,利用改进的岩石动静组合加载SHPB试验装置,对红砂岩进行一维预应力状态下岩石的冲击力学特性试验。选取4个轴压水平,进行不同应变率下的动加载试验。研究结果表明:不同应变率下,岩样在破坏阶段出现"峰后塑性"、"应力跌落"、"应变回弹"三种类型,岩样的割线模量随轴压的增大先增大后减小;相同轴压下,岩样的动态抗压强度和单位体积吸收能随着应变率的增大而增大,分别呈现出指数函数关系和线性关系;相同应变率下,岩样的动态抗压强度和单位体积吸收能随着轴压的增大呈先增大后减小的趋势;无轴压条件下,岩样为拉伸破坏模式,有轴压条件下,岩样为剪切破坏模式。     

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。     

基于Hopkinson压杆的动态压剪复合加载实验研究

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.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(0$^\circ$,30$^\circ$, 45$^\circ$)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.      

岩石SHPB实验加载过程中应力平衡问题分析

运用一维应力波理论,分析了弹性应力波在分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验中的传播过程,推 导出试件和压杆中应力分布相关计算公式。探讨了有关因素对试件应力平衡时间的影响规律,发现试件应力 平衡时间受试件/压杆广义波阻抗比和入射加载升时的影响显著,而不受试件/压杆截面积比和入射加载应力 幅值的影响。结合岩石SHPB实验,计算分析了不同入射加载应力幅值在不同入射加载升时情况下,试件达 到应力平衡时的应变变化特征,并提出了降低试件在应力平衡时的应变控制方法,使试件在未达到断裂应变 之前达到应力平衡,以保证实验的有效性。得出的结论对岩石类脆性材料SHPB实验方案设计具有一定的 参考意义。     

大理岩动态拉伸强度及弹性模量的SHPB实验研究

提出了获取脆性材料动态拉伸强度及弹性模量的实验步骤及相关记录数据的分析方法。利用直径为100mm的分离式Hopkinson压杆径向冲击巴西圆盘和平台巴西圆盘试样,测试了大理岩在高应变率加载下的动态力学性能。应力波加载下动态劈裂拉伸圆盘在试样中心产生了约45/s的拉伸应变率。分析了实验的有效性并考虑了试样两个端面应力波波形差异的影响以提高实验结果的精度。结果表明准静态下的公式可适用于动态劈裂拉伸实验;大理岩的动态拉伸强度及弹性模量比静态时有明显的增加。     

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。     

钢纤维活性粉末混凝土的动态力学性能

利用?74mmSHPB实验装置对钢纤维活性粉末混凝土(RPC)进行动态压缩实验和动态劈裂拉 伸实验。获得了钢纤维RPC在1~102s-1应变率加载下的动态力学参数。对试件内的动态应力分布进行数 值模拟,验证了动态实验的有效性。结果表明,钢纤维RPC的动态压缩和动态劈裂拉伸的力学性能均表现出 显著的应变率效应。随着应变率的增加,钢纤维RPC冲击压缩破坏应力、冲击压缩破坏应变、弹性模量、动态 劈裂拉伸破坏应力均有一定程度的增加,动态拉压比相对静态拉压比也有显著的提高。     

金属材料在复杂应力状态下的塑性流动特性及本构模型

工程应用中,金属材料和结构往往处于复杂应力状态。材料的塑性行为会受到应力状态的影响,要精确描述材料在复杂应力状态下的塑性流动行为,必须在本构模型中考虑应力状态效应的影响。然而,由于在动态加载下材料的应变率效应和应力状态效应相互耦合、难以分离,给应力状态效应的研究和模型的建立造成很大困难。通过对Ti-6Al-4V钛合金材料开展不同加载条件下的力学性能测试,提出了一个包含应力三轴度和罗德角参数影响的新型本构模型,并通过VUMAT用户子程序嵌入ABAQUS/Explicit软件。分别采用新提出的塑性模型和Johnson-Cook模型对压剪复合试样的动态实验进行了数值模拟。结果表明,新模型不仅在对材料本构曲线的拟合方面具有较强的优势,而且由该模型所得到的透射脉冲和载荷-位移曲线均更加准确。因此,该模型能够更精确地描述和预测金属材料在复杂应力状态下的塑性流变行为。     

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。     

循环荷载下岩石阻尼行为的试验研究

为了深入地了解岩石的阻尼特性,利用WDT–1500多功能材料试验机,对砂岩、砾岩和砂砾岩进行了循环荷载试验,研究了岩石的动剪切模量和阻尼参数对应力、应变幅值和应力水平的响应特性,得到了动弹性模量和阻尼参数随应力幅值、应力水平及含水率的变化规律,讨论了其变化机理。证实了双曲线关系能够描述分级循环荷载作用下岩石的应力-应变关系,得到了动剪切模量和阻尼比与动应力、动应变之间的关系,建立了不同应力水平和不同应力幅值条件下岩石的动剪切模量与阻尼比关系模型,结果表明该模型能够描述分级循环荷载过程中阻尼行为。     

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.      

不同加载状态下TA2钛合金绝热剪切破坏响应特性

一般认为绝热剪切现象在宏观上表现为材料动态本构失稳,即热软化大于应变硬化.本文采用帽型受迫剪切试样研究TA2钛合金的动态力学特性和本构失稳过程.首先对剪切区加载应力状态进行理论和数值分析,通过合理设计帽型试样,剪切区变形可近似按剪切状态处理;结合二维数字图像相关法(two-dimensional digital image correlation,DIC-2D)直接测试试样剪切区应变演化,给出帽型受迫剪切实验的等效应力-应变响应曲线.进一步,利用Hopkinson压杆对TA2钛合金开展动态压缩及帽型剪切对比试验研究,比较压缩、剪切试验得到的等效应力-应变曲线,采用"冻结"试样方法分析试样中绝热剪切局域化演化过程,探讨不同加载状态下TA2钛合金的绝热剪切破坏现象及其动态力学响应特性.实验结果表明,在塑性变形初始阶段,动态压缩及剪切加载下的等效应力-应变曲线符合较好,但随塑性损伤发展及绝热剪切带形成,两者出现分离,表明损伤及绝热剪切演化过程与应力状态相关.剪切试样实验得到的本构"软化"特性能够反映绝热剪切带起始、破坏演化过程的力学响应特性,而在动态压缩实验中,即使试样中已出现双锥形的绝热剪切带及局部裂纹分布,其表观等效应力-应变曲线并不出现软化特征,动态压缩实验无法得到关于绝热剪切起始、发展以及破坏的本构软化响应特性.     

Dynamic compression-shear response of brittle materials with specimen recovery

A new configuration for compression-shear soft-recovery experiments is presented. This technique is used to investigate various failure mechanisms during dynamic multiaxial loading of an Al₂O₃/SiC nanocomposite and TiB₂. Velocity profiles of the target surface are measured with a variable sensitivity displacement interferometer, yielding normal and transverse velocity-time histories. A dynamic shear stress of approximately 280 MPa is obtained, in the Al₂O₃/SiC nanocomposite, for an imposed axial stress of about 3.45 GPa on a 540 m thick sample. This dynamic shear stress is well below the value predicted by elastic wave propagation theory. This could be the result of stress-induced damage and inelasticity in the bulk of the sample or inelasticity on the sample surface due to frictional sliding. To gain further insight into the possible failure mechanisms, an investigation of compression-shear recovery techniques, with simultaneous trapping of longitudinal and lateral release waves, is conducted.     

Impact behavior of honeycombs under combined shear-compression. Part II: Analysis

In this paper, a numerical virtual model of honeycomb specimen as a small structure is used to simulate its combined shear-compression behavior under impact loading. With ABAQUS/Explicit code, the response of such a structure made of shell elements is calculated under prescribed velocities as those measured in the combined shear-compression tests presented in Part I of this study.The simulated results agree well with the experimental ones in terms of overall pressure/crush curves and deformation modes. It allows for the determination of the separated normal behavior and shear behavior of honeycomb specimen under dynamic combined shear-compression. It is found that the normal strength of honeycombs decreases with increasing shearing load. Quasi-static calculations were also performed and a significant dynamic strength enhancement found in experiments was validated again in the numerical work. A crushing envelope in normal strength vs. shear strength plane was obtained on the basis of these simulations.     

压应力对压剪裂纹扩展的影响研究

本文针对压剪裂纹的启裂及扩展问题,研究了脆性材料中裂纹面压应力变化对其扩展的影响规律.借助双轴加载试验机可自由调节两个轴位移和力的优势,设计了一种单边对称双裂纹压剪试样.试验中,施加裂纹面压应力至不同的预设值后,使剪应力单调增大直至裂纹启裂及扩展,得到不同预设压应力下压剪裂纹启裂及扩展规律. 随着预设压应力增大,启裂角增大,裂纹扩展路径与初始裂纹的偏角也增大.但随着压应力增大,启裂角增大至一定值后趋于稳定,实验发现,依据裂纹是否闭合,压应力对压剪裂纹扩展的作用大致可分为两个阶段:闭合前,压应力对裂纹启裂载荷及启裂角、扩展路径均有影响,预设压应力增大,裂纹启裂载荷增大、启裂角增大,扩展路径愈来愈偏离初始裂纹方向;闭合后,压应力虽然增大,启裂角和临界压剪应力比始终恒定,压应力对临界剪力和扩展路径存在一定影响.研究表明,裂纹启裂角与启裂时的压剪应力比存在一定的对应关系.启裂时的压剪应力比增大,启裂角增大,启裂时的压剪应力比恒定,启裂角不变.