应力脉冲在变截面SHPB锥杆中的传播特性

为研究混凝土材料的动态力学性能 ,将原有的SHPB装置改装成直锥变截面式SHPB。系统分析了应力脉冲在直锥变截面杆中的传播特性 ,讨论了大小端杆径、过渡段长度以及锥角等对波传播的影响 ,为合理设计直锥变截面式SHPB装置提供了理论依据。     

Determination of Early Flow Stress for Ductile Specimens at High Strain Rates by Using a SHPB

In a dynamic experiment to obtain the high-rate stress–strain response of a ductile specimen, it takes a finite amount of time for the strain rate in the specimen to increase from zero to a desired level. The strain in the specimen accumulates during this strain-rate ramping time. If the desired strain rate is high, the specimen may yield before the desired rate is attained. In this case, the strain rates at yielding and early plastic flow are lower than the desired value, leading to inaccurate determination of the yield strength. Through experimentation and analysis, we examined the validity and accuracy of the flow stresses for ductile materials in a split Hopkinson pressure (SHPB) bar experiment. The upper strain-rate limit for determining the dynamic yield strength of ductile materials with a SHPB is identified.     

极端环境下连续碳纤维增韧的陶瓷基复合材料的力学行为

连续纤维增韧的碳化硅复合材料(以下简称C/SiC),作为超高速飞行器热结构使用时,有可能在高温环境下受到高速撞击的作用,因此,掌握其在极端环境(高温、高应变率)下的力学性能是进行结构安全设计的基础。本文采用具有高温实验能力的分离式Hopkinson杆,在293~1273K温度范围内进行了动态压缩力学性能测试,研究了环境温度和加载速率对材料力学性能的影响。结果表明:C/SiC复合材料的高温压缩力学性能主要受应力氧化损伤和残余应力的共同影响。实验温度低于873K时,应力氧化损伤的影响很小,而由于增强纤维和基体界面残余应力的释放使界面结合强度增大,复合材料的压缩强度随温度的升高而增大;当实验温度高于873K时,应力氧化损伤加剧,其对压缩强度的削弱超过残余应力释放对强度的贡献,材料的压缩强度随温度的升高逐渐降低。由于应力氧化损伤受应变率的影响很大,当温度由873K升高至1273K时,高应变率下压缩强度降低的程度要比应变率为0.0001/s时低得多。     

一种适用于低体模量材料的被动围压SHPB实验设计

基于动态三轴被动加载实验技术,建立了一种可测量吉帕量级及以下低体模量材料压强-体应变关系的被动围压SHPB实验设计方法。在该实验设计中确定了样品、封装垫块、围压套管的尺寸以及尺寸间的匹配,并对实验压强进行了限制。通过比较传统SHPB实验和被动围压SHPB实验测量LC4铝合金等效应力的方式,验证了被动围压SHPB实验压强测量的有效性;通过实验和数值模拟分析,验证了体应变测量的有效性。将设计的被动围压SHPB实验方法应用于铈,得到了铈在伽马→阿尔法相变区间完整显示的压强-体应变演化信息,且相变起始和终止压强、相变体积变化量均与静高压实验结果基本一致。这说明设计的被动围压SHPB实验方法适用于测量低体模量材料的压强-体应变关系。     

基于数字图像的分离式霍普金森压杆实验中试件应变及两端应力的同步测量法

本文提出一种基于高速摄像和数字图像相关方法(DIC)的分离式Hopkinson压杆(SHPB)测量技术,从而实现试件应变和两端应力的同步测量。即在与试件接触的输入输出杆两端制作散斑,通过高速摄像获取SHPB实验过程中的散斑变形图像,由DIC测得各时刻试件的应变、输入输出杆端的应变(可直接换算为试件两端的应力)。由于试件和杆端的应变都是从同一张高速摄影的图像上分析得到的,因此它们是同步的。应用该方法对钢纤维混凝土试件的SHPB试验进行了测量,测量结果与传统应变片测量结果吻合,验证了该方法的可行性。该技术不仅实现了SHPB实验中试件应变和应力的同步测量,还将有助于直接检验各材料在SHPB实验中试件两端的力在实验过程中是否平衡。     

高温高应变率下混凝土材料的损伤演化方程

采用?74 mm大口径分离式霍普金森压杆(SHPB)对不同温度(20、200、400℃)下的C45混凝土材料进行动态力学性能实验,得到了不同温度、不同应变率下混凝土材料的应力-应变曲线。实验结果表明:在20~400℃温度范围内,混凝土材料具有温度硬化和应变率硬化现象。基于上述实验数据给出了损伤变量关于塑性应变的关系式,并通过相关实验数据确定了不同温度、不同应变率下损伤演化方程的材料参数。将该损伤演化方程应用于混凝土材料的本构关系中,预测结果与实验数据具有较好的一致性,证明了所提出的高温、高应变率下混凝土材料损伤演化方程的合理性。     

变截面杆共轴撞击数值分析及其应用前景

 为对弹性杆共轴撞击这一应力波基础问题进行扩展研究,基于非线性动力学软件LS-DYNA建立了有限元模型,分析了共轴撞击的变截面杆的形态参数对波形的影响规律,探讨了应力波产生的机理,并对其应用前景进行了展望。结果表明,由于变截面效应,一定形态参数的变截面杆共轴撞击可以得到具备波阵面平滑上升,较长的前沿升时和消除了波形振荡等特性的应力波;该特性是变截面杆撞击这一过程的内在属性,主要由变截面段的最小半径控制,变截面段长度仅对局部形态产生影响,对加载速度的变化不敏感;半无限长的变截面杆共轴撞击规律可在应力波加工等领域应用。由此可见,该规律对基础性理论进行了扩展,应用前景广阔。     

铀合金动态力学性能的研究

本文利用分离式霍布金生压杆研究了四种国产铀合金的动态力学性能,给出了这些材料随应变率和环境温度变化的本构关系。实验结果表明,国产铀合金具有与钨合金相当的动态强度,是钨穿甲弹中弹芯材料的极好替代物。     

SHPB实验试件横截面积不匹配效应的研究

利用有限元计算和量纲分析的方法,分析了在硬质材料测试中因试件与杆横截面积失配而出现的二维效应,并提出了平面二维效应和凹面二维效应的概念。分析结果表明,平面二维效应的影响可忽略不计,而凹面二维效应的影响是最主要的。研究结果对试件与杆横截面积失配情况下的SHPB实验有一定的指导意义。     

硬质聚氨酯泡沫塑料动态力学性能的研究

介绍了用分离式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆对硬质聚氨酯泡沫塑料（ＲＰＵＦ）进行的一种高应变率实验，第一次完整地给出了ＲＰＵＦ在１０￣３ｓ￣（－１）高应变率下的动态应力应变曲线，并对ＲＰＵＦ的动态力学性能及其吸能缓冲机理作了简单的分析。