基于数字图像相关性方法的脆性材料拉氏反分析实验技术

利用分离式Hopkinson压杆作为加载系统,借助超高速数字图像相关性分析方法,发展了长杆试件拉氏反分析实验技术,并用于研究脆性材料在小变形条件下的动态本构特性。通过超高速相机实时拍摄冲击加载下长杆试件变形的散斑图像,再对散斑图像进行数字图像相关性（digital image correlation,DIC）分析,获得长杆试件表面速度场和应变场。随后,以脆性材料PMMA（polymethyl methacrylate）为例,从DIC分析得到的速度场中提取出不同拉格朗日位置上质点速度时程曲线,构建路径线连接整个速度场,再结合零初始条件,数值求解得到了试件中的应力时程曲线,消去时间参数后,获得了脆性材料PMMA的动态应力-应变曲线,并与Hopkinson压杆实验和准静态压缩实验的结果进行了对比,揭示了PMMA材料在小应变条件下的黏弹性本构响应特征。     

低应变率下硅铝质泡沫陶瓷复合材料的力学性能研究

以泡沫陶瓷复合材料在防护工程中的应用为背景,利用MTS(Material Test System,材料试验机)对该型材料进行了准静态压缩实验。得到了应变率在10-5~10-3s-1范围内的应力应变曲线,并对实验结果进行了理论分析和数值模拟。研究表明,泡沫陶瓷复合材料的力学性能在准静态一维应力压缩条件下显示出明显的应变率效应,同时其应力应变曲线可用一种经验的脆性材料本构模型进行较好地拟合。而在一维应变压缩条件下,材料的应力应变曲线则显示出明显的三段式特征:弹性段、平台段和密实段,同时材料的吸能幅值随着应变率的增大而增加。     

SnAgCu焊料的动态力学性能

对SnAgCu焊锡材料在应变率0.001、600、1 200、1 800 s-1下的拉伸和压缩力学性能进行了测试,得到了不同应变率下的应力应变曲线。结果表明,该材料不仅具有明显的应变率效应,而且其动、静态的塑性硬化模量差异很大。金相分析显示:准静态压缩时,塑性变形主要由晶粒的转动、变形和晶界的滑移控制;而动态压缩时,可观察到材料内部的枝状晶粒被折断为大量次级晶枝,呈现出明显不同于准静态情况下的变形机制。     

脆性颗粒材料的应变率效应机理研究

利用分离式Hopkinson压杆（SHPB）,对干燥石英砂进行了被动围压下的动态压缩实验,发现石英砂表现出了明显应变率效应。通过激光粒度分析测量了动静态压缩后的试件的级配曲线,发现同一应力水平下准静态压缩比动态压缩后的试件的颗粒破碎量更大。而通过拟合相对破碎率与外力功之间的关系,发现准静态压缩在颗粒破碎方面能量利用率更高也即破碎效率更高,而这正是脆性颗粒材料应变率效应的本质原因。     

不同应变率下冰破坏特性的试验研究

为研究寒区流冰对水工/船舶结构的影响,需要获得不同流速冰载荷的特征,准静态下不同应变率条件下冰材料变形至破坏的特征就成为一项重要的基础性问题。为此,开展了低温环境应变率10-2s-1至10-4s-1下淡水冰的单轴压缩试验。试验发现:随着应变率减小,极限应力由18.51MPa降低至8.44MPa,达到极限应力后,试件承载能力由瞬间消失变为逐渐降低至稳态,试件破坏形貌由劈裂转变为周向膨胀,即由脆性转变为韧性破坏,转变应变率约为10-3s-1;在双对数坐标系中,单轴压缩强度随应变率的增加近似呈线性增大。通过对应力-应变曲线进行积分,给出了不同破坏形式下冰变形至破坏的临界应变能密度,发现脆/韧转变状态下加载至破坏所需能量最大,该能量特征主要由冰中微裂纹的萌生、断面摩擦、再结晶引起。     

硬质聚氨酯泡沫力学特性的静水压力加载实验方法研究

泡沫材料在多轴载荷下的力学性能是工程中非常关心的问题。利用土壤的三轴压缩试验装置,通过试验方法的改进,提出了一种体应变测定和修正的方法,对硬质聚氨酯泡沫材料的静水压力特性进行了研究,得到了一些有价值的数据和结论。研究表明:在准静态静水压加载条件下,该材料的应力-应变曲线明显地分为弹性段、塑性段和压实段,且屈服强度比单向压缩时略大、压实应变略小。最后通过不同高度的试样对比试验,对聚氨酯泡沫材料的不均匀变形和弯曲的原因进行了分析和比较,指出了试验时应该注意的问题。     

伪弹性TiNi合金圆薄板的准静态力学行为实验研究

采用阴影云纹和应变片方法对伪弹性TiNi合金圆板在固支条件下的准静态力学行为进行了实验研究,得到了载荷位移曲线、全场离面位移和局部应变等数据.载荷位移曲线呈现非线性、滞回耗能和无残余变形的特性,表明试样已经发生马氏体相变.应变测量显示,相变局限于加载中心较小区域,相变区内,环向应变大于径向应变,且拉伸侧应变大于压缩侧的应变.有限元模拟揭示出相变区内两侧表层的相变范围、相变铰区和马氏体相含量的不对称分布规律.     

一种低应变率下钢纤维混凝土本构关系

采用岩石力学试验机,开展了同一低应变率下,钢纤维体积含量分别为0%、0.75%、1.5%、3%、4.5%、6%的混凝土材料的准静态力学试验,并获得了材料的应力-应变曲线,由试验结果可知:钢纤维混凝土材料的峰值应力、峰值应变随着纤维含量的增加而提高,材料达到峰值应力后呈现应力的应变软化特征。基于试验应力-应变曲线,提出了一种合理的钢纤维混凝土准静态本构关系,通过拟合试验应力-应变曲线,获得了相应的材料参数,拟合结果表明采用该形式的本构关系方程能很好地拟合试验曲线。     

基于PVDF薄膜传感器的猪肝动态压缩力学性能测试

瞬态冲击载荷作用下肝脏的力学响应是损伤生物力学的重要研究内容。本文提出了一种可用于软组织动态压缩力学特性测试的改进SHPB(分离式霍普金森压杆,Split Hopkinson Pressure Bar)方法。该方法采用PVDF(聚偏氟乙烯,Polyvinylidene Fluor)压电薄膜传感器测量实验过程中试件两端面的受力,以此来计算试件的应力,从而无需测量透射杆上的微弱透射信号。猪肝试样前后端面的PVDF压电信号对比表明,加载过程中试样达到了动态应力平衡状态。试样动态压缩中的惯性效应主要在加载的初始阶段对透射应力信号造成较大影响,在大变形阶段惯性效应引起的轴向应力较小。利用此方法对猪肝组织进行三种高应变率(1800s^-1,2500s^-1,3500s^-1)的动态压缩实验,并采用基于真实应变的惯性效应公式对实验数据进行修正计算。结果表明:猪肝组织在准静态与高应变率时的应力应变曲线都呈现出凹向上的非线性特征,即曲线初始阶段应力增长较缓慢,当应变达到15%后应力值则迅速增大;猪肝组织也具有明显的应变率效应,即随着应变率的增加,应力应变曲线的整体应力值也随之增大。最后,采用黏超弹性本构模型描述了猪肝组织的动态应力应变曲线。     

新型汽车结构胶剪切实验研究

利用数字图像相关方法(DICM),分别测定了准静态单向剪切拉伸试验条件下,新型汽车结构胶粘接试件和传统点焊连接试件粘接部分的剪切力学性能。实验采用了非接触测量物体应变的方法,运用CCD及其计算机图像处理系统,实时获取变形前后试件表面图像。利用数字相关软件对变形前后的图像进行分析,从而获得试件该时刻的应变。最后确定了试件拉伸过程中的力-位移曲线及应力-应变关系曲线。测试结果及分析表明:采用新型结构胶粘接试件的力学性能与点焊结构相比有明显的优势。这为该结构胶进一步改进提供了一定的实验依据。测试中的数字图像相关法是非接触测量物体应变的方法,在实际应用中有很大的意义。     

三种红层岩石常规三轴压缩下的强度与变形特性研究

利用MTS815Teststar程控伺服岩石力学试验系统研究了川东地区一红层边坡中的砂岩、粉砂岩和泥岩围压为0³MPa的应力-应变全过程曲线,建立了峰值强度、峰值强度前弹性模量以及峰值强度后的弹性模量和围压的关系。将低围压下红层的全应力-应变曲线概化成5个阶段,分别为压密段、弹性段、屈服段、应变软化段和塑性流动阶段。试验结果得出,红层弹性模量随围压的增加而提高且变化明显,砂岩和粉砂岩在此围压内为脆性破坏,泥岩为塑性破坏的规律。     

泡沫金属材料的孔径效应

在分离式霍普金森压杆(SHPB)和MTS810材料试验机上分别对泡沫纯铝材料和铝硅合金泡沫材料进行了动态与准静态压缩实验研究。实验结果表明:孔径的大小对泡沫铝的弹性变形包括弹性模量没有影响,但对泡沫铝的屈服强度和塑性硬化模量有影响,且这种影响主要取决于泡沫铝基体材料的韧脆特性,泡沫铝的相对密度也会影响这种孔径效应。     

不同应变率下聚乙烯材料的压缩力学性能

为了研究聚乙烯材料在不同应变率下的压缩力学性能，通过准静态实验和动态实验获得聚乙烯材料不同应变率下的应力应变曲线，分析发现:聚乙烯的弹性模量和屈服强度随应变率增大而增大，具有明显的黏弹塑性；聚乙烯材料进入塑性阶段，其应力应变曲线在不同应变率下具有相近的变化趋势，即塑性切向模量近似相同。根据聚乙烯材料的压缩力学性能，建立了弹性区、屈服点和塑性区的分段本构模型。该模型的屈服点和塑性段与实验结果吻合较好，由于弹性段采用线弹性模型，与实验结果存在一定偏差，可近似描述材料的弹性行为。     

应力平衡和接触状态在Hopkinson杆测试聚合物动态弹性模量中的影响研究

针对用Hopkinson杆试验能否准确测量聚合物动态弹性模量以及其中主要影响因素的问题,本文基于重构试样初始加载阶段的应力波反射透射过程,分别计算了6个特征时间内的前三次反射波和透射波,得到试样的应力平衡度和试样的应力应变曲线。对于所研究的聚合物材料,通过比较重构的应力应变曲线的弹性模量与输入的材料弹性模量,发现在4个特征时间后,误差仅在3%左右。因此试样变形过程中的应力平衡与否不是材料在Hopkinson杆试验中弹性模量测不准的原因。通过环氧树脂试样试验发现,根据Hopkinson杆理论计算的应变结果要大于试样上应变片实测的结果,误差在11%左右。相应的数值模拟研究发现:试样和杆子端面接触状态直接决定着试样弹性模量测量的精度。关于惯性效应和压痕效应的研究也证实它们的影响是可以忽略的。     

A Finite Element Analysis of a Tapered Flat Sheet Tensile Specimen

A uniaxial tension sheet metal coupon with a tapered instead of a straight gage section has been used for centering the location of diffuse neck and for measuring sheet stretchability in a non-uniform strain field. A finite element analysis of such a tensile coupon made of automotive steel sheet metals has been carried out to assess the effect of the tapered gage section geometry and material plastic strain hardening characteristics on the development of local plastic deformation pattern and local stress state, especially beyond the onset of diffuse necking but before localized necking. In particular, the finite element analysis was used in this study to evaluate the accuracy and reliability of an experimental data analysis method for estimating the post-necking effective plastic stress-strain curve based on the direct local surface axial plastic strain measurements for base metal, heat-affected zone, and weld metals of a dual-phase steel DP600. It is concluded that the estimated lower and upper bounds of the effective stress-strain curve at large strains are not satisfactory for low strain-hardening materials such as heat-affected zone and weld metals with the tapered tension coupons. A simple correction method utilizing only the additional local surface strain measurement in the transverse direction is proposed and it is shown to be effective in correcting the estimated effective stress-strain curve of dual-phase steel weld metals obtained for two tapered gage section geometries.     

聚碳酸酯的高应变率拉伸实验

为了解应变率对聚碳酸酯拉伸力学行为的影响,在旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸试验机和MTS809材料试验机上,对聚碳酸酯棒材进行了高应变率和准静态加载下的单向拉伸试验,应变率分别为380 s-1、800 s-1、1750 s-1和0.001 s-1、0.05 s-1,得到了聚碳酸酯的拉伸应力应变曲线.试验结果表明:聚碳酸酯的拉伸力学性能具有明显的应变率相关性,其屈服应力和失稳应变随应变率的增加而增大.依据试验结果,采用朱王唐粘弹性本构模型来描述聚碳酸酯的非线性粘弹性拉伸力学行为.模型结果显示,在本文实施的应变率范围内,朱王唐模型可以较好地表征聚碳酸酯的拉伸应力应变响应.     

Experimental evidence of macroscopic plastic flow nonhomogeneity development in uniaxial tensile test samples

An experimental study of the macroscopic plastic flow nonhomogeneity in the course of a uniaxial tensile test is conducted on several aluminum alloys, nickel and 4340 steel. It was observed that the plastic flow initiates throughout the entire gage length in a nonuniform fashion, so that the growth of the deformation in the middle of the gage is faster than it is at the edges. That initial strain rate gradient almost disappeared shortly after its evolution, and the strain rate through the entire gage length became about uniform. The plastic flow nonuniformity emerged again upon further stretching, producing a gradual acceleration in the middle of the gage with corresponding slowdown toward the edges. That final development of the strain rate gradient commenced well in advance of the load maxima and was the cause of the consequent neck formation in the middle portion of the gage. It is demonstrated that the origin of plastic flow nonhomogeneity stemmed from the second elastic strain component in the transverse direction and its gradient evolution along the reduced section upon loading. It is found empirically that acceleration in the strain rate in the middle part of the reduced section was accompanied by a reduction in the apparent strainhardening exponent,n, calculated from the stress/strain chart. The maxima in the apparent strain-hardening exponent,n, obtained from the common stress/strain charts can be used to indicate the strain rate gradient onset.     

基于裂纹扩展脆性岩石动力压缩力学特性研究

动态压缩荷载作用下，脆性岩石内部动态细观裂纹扩展特性，对岩石宏观动态力学特性有着重要的影响。然而，对岩石内部动态细观裂纹扩展与宏观动态力学特性的关系研究较少。基于准静态裂纹扩展作用下的应力-应变本构模型、准静态与动态裂纹扩展断裂韧度关系、裂纹速率与应变率关系模型及应变率与动态断裂韧度关系，提出了一种基于细观力学的动态应力-应变本构模型。其中裂纹速率与应变率关系，是根据裂纹长度与应变关系的时间导数推出；应变率与动态断裂韧度关系，是根据推出的裂纹速率及应变率关系，与裂纹速率及断裂韧度关系相结合而得到。研究了应变率对应力-应变本构关系及动态压缩强度影响。并通过试验结果验证了模型的合理性。讨论了岩石初始损伤、围压、模型中参数m、ε₀和R对应力-应变关系、动态压缩强度和动态弹性模量的影响。研究结果可为动态压缩荷载作用下深部地下工程脆性围岩稳定性分析提供了一定的理论支持。