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。     

血液-血管耦合特性与脉搏波传播特性的关系

脉搏波既不可简单地理解为可压缩血液流体中的压力纵波，也不可简单地理解为沿固体血管传播的涨缩位移横波，而是超乎普通想象的流-固耦合和纵波-横波耦合的复杂波。从分析耦合本构关系的新途径出发，本文中提出了一个流-固耦合/纵波-横波耦合的串联模型，可为解读“位数形势”中医脉诊提供更丰富的信息。结果表明，脉搏波耦合系统的等效体积压缩模量K_s以及相应的耦合系统脉搏波传播速度c_s主要依赖于两个无量纲参数:血液-血管模量比K_b(p)/E(p)和薄壁血管径厚比D(p)/h₀，它们因人而异、因人的不同脉搏位置而异。文中定量分析了它们对c_s的影响，显示人体的K_b/E值在103数量级，从而c_s值在100～101 m/s数量级，以适应人体生理生化反应。由临床有创测量，证实脉搏体积横波与脉搏压力纵波是相耦合地以相同速度传播；还显示脉搏波是在其波阵面上具有氧合生化反应的“生物波”。此外，还讨论了“脉压放大”现象与非线性本构关系和与血管分叉处加载增强反射之间的关系，并讨论了Lewis关于重搏波形成的假设。     

多胞牺牲层的抗爆炸分析

运用一维冲击波模型和三维细观有限元模型分析了多胞牺牲层的抗爆炸行为.基于刚性-塑性硬化(R-PH)的多胞材料模型,建立了一维冲击波模型,得到了多胞牺牲层中冲击波传播的控制方程.揭示了冲击波在多胞牺牲层中的传播特性,并阐述了附加质量和爆炸载荷强度两个参数对牺牲层设计的重要影响.比较了基于刚性-理想塑性-锁定(R-PP-L)模型和基于刚性-塑性硬化(R-PH)模型的多胞牺牲层的结构设计,指出了两种模型的适用范围.通过基于三维Voronoi技术的细观有限元方法验证了基于R-PH模型的多胞牺牲层结构的设计准则.     

泡沫铝材料动态本构参数的实验确定

基于泡沫材料的动态刚性-线性硬化塑性-刚性卸载(D-R-LHP-R)模型，结合连续性方程，动量守恒方程及刚体的运动方程，得到了激波在泡沫材料中的量纲一消失位置X_s/L₀和动态屈服应力Y_i、激波波速c_p、冲击初始应变ε_i之间的如下关系式: $\frac{X_{\mathrm{s}}}{L_{0}}=\exp \left(-\frac{\rho_{0} c_{\mathrm{p}} v_{\mathrm{i}}}{Y}\right)=\exp \left(1-\frac{\sigma_{\mathrm{i}}}{Y}\right)=\exp \left(-\frac{\rho_{0} c_{\mathrm{p}}^{2} \varepsilon_{\mathrm{i}}}{Y}\right)$ 采用Taylor-Hopkinson装置进行实验，当直接测得泡沫铝试样密度ρ₀、边界初始应力σ_i、初始打击速度v_i、泡沫铝杆原长L₀及激波在泡沫铝杆中消失长度X_s后，利用方程式(a)可反演求得D-R-LHP-R模型下的泡沫铝动态应力应变曲线。最后通过与泡沫铝准静态实验数据对比，表明该泡沫铝是应变率敏感性材料。     

多孔材料吸能行为对相对密度和冲击速度的依赖性

多孔材料是一种优异的吸能缓冲材料，但由于其变形模式的非单一性以及动态应力应变曲线的难获取性，其吸能行为对相对密度和冲击速度的依赖性关系还并不完全明朗。本文基于不需要提前作本构假定的波传播法，开展了多孔材料的吸能行为研究。采用多孔材料的细观有限元模型进行Taylor冲击虚拟实验，获取全场质点速度时程曲线，结合Lagrange分析法得到多孔材料的局部应力应变信息，进而探讨了动态吸能性能对材料相对密度和冲击速度的依赖性。研究结果表明多孔材料的吸能行为可依据变形模式分为三个阶段。在冲击模式下，多孔材料单位体积吸能与相对密度成线性增加关系，此时惯性起主导作用；在过渡模式下，惯性的主导作用减弱，单位体积吸能量的增加速率随相对密度的增加而减弱；在准静态模式下，多孔材料只能发生微小的变形，其吸能很少。本文进一步获得了区别于多孔材料准静态应力-应变曲线的动态应力-应变状态曲线，并考察了其与相对密度之间的关系。结果表明：随着相对密度的增加，多孔材料的动态压实应变将变小，而动态塑性平台应力将提高。     

梯度多胞牺牲层的抗爆炸分析

运用一维非线性塑性冲击波模型和细观有限元模型对密度梯度多胞牺牲层的抗爆炸性能进行了分析。基于率无关的刚性-塑性硬化模型，建立了描述冲击波在多胞牺牲层中传播的控制方程，分别给出了正、负密度梯度多胞材料在指数型爆炸载荷作用下的响应特性。研究了可正好吸收爆炸能量的梯度多胞牺牲层的临界厚度与载荷强度、覆盖层质量、多胞材料的密度梯度等参数之间的关系，给出了以临界厚度和支撑端应力峰值为指标的密度梯度设计图。运用二维细观有限元模型验证了基于非线性塑性冲击波模型的抗爆炸分析的有效性。     

脉搏波本构关系实验研究的探索

脉搏波本构关系决定着脉搏波的传播特征。如何通过实验研究来确定脉搏波本构关系，以及如何通过这些方法从现有文献数据来获得脉搏波本构关系，是当前研究的核心之一。本文中探索了3个可行途径:(1)由实测脉搏波波速对压力的关系C(p)进行反分析（无创法）；(2)直接对脉搏波p-V本构关系进行实测（有创法）；(3)由一系列实测脉搏波波形进行Lagrange反分析（无创法）。采用上述方法，根据现有文献数据，发现由C(p)关系的Rogers-Huang简化式可推得指数型p(V)本构关系；由MK-Hughes式可推得对数型p(V)本构关系。脉搏波传播特性随非线性本构参数发生显著变化。按中医体质分类观点，相应的脉搏波本构关系原则上也有不同类型，因人而定。在这个意义上，脉搏波的Lagrange反分析具有广阔发展前景，但它对正确选择测点和提高测量敏感性和精度等方面提出了更高要求。     

对基于质点速度测量的拉格朗日分析法的进一步探讨

针对以往基于质点速度波形测量使用拉格朗日分析法反推材料动态力学性能时,需作某种简化假定或者必须同时实测应力边界,而在实验过程中的边界应力数据在某些情况下测不到或测不准的状况.因此基于路径线法和零初始条件,提出了一种改进的拉格朗日分析法,新方法可不涉及边界应力,直接反推出材料高应变率下的动态应力应变曲线.并且运用该方法对有机玻璃材料的动态性能进行了数值模拟研究分析,其结果与运用特征线法求得到的数据非常吻合,从而证实了该方法的可靠性和有效性.