递进式凸轮加载的中等应变率实验技术

研制了一种可以实现多次加载的凸轮递进式中应变率压缩实验系统。该实验装置采用伺服电机驱动蓄能飞轮转动,后蓄能飞轮带动加载凸轮压缩加载杆的方法,实现对试样中应变率的压缩;同时在一级压缩即将结束时步进电机迅速推动蓄能飞轮贴近加载凸轮,实现多级压缩。试样的动态压缩载荷通过两侧杆上粘贴的应变片所记录的应变信号得到;试样变形过程通过激光干涉测速系统测得的试样两侧杆端的运动速度信号得到。以纸蜂窝试样为例,基于研制的中应变率实验系统,并结合高速摄影图片,研究了厚度10 mm、直径14.5 mm的纸蜂窝试样在应变率3.5 s^-1下的动态压缩力学性能,得到了单级压缩和两级压缩过程中纸蜂窝试样的应力-应变曲线和变形过程,并讨论了该实验系统的可靠性。此实验系统可以实现多级递进式中应变率加载;纸蜂窝试样在中等应变率下的峰值强度和平台应力对高应变率下的动态压缩实验数据和低应变率下的准静态实验数据进行了较好地衔接;试样的失效模式主要为准弹性变形后的外壁屈曲和面内剪切。     

冲击下混凝土试样应变率效应和惯性效应探讨

结合混凝土试件的真三轴静载冲击实验结果,分别运用考虑应变率效应的Holmquist-Johnson-Cook (HJC)模型和考虑静水压效应的Drucker-Prager (DP)模型进行数值分析,以探讨研究混凝土试样应变率效应和惯性效应的方法。在探究混凝土的应变率效应和横向惯性效应的关系时,使用HJC模型的数值模拟结果来拟合DP准则的各个参数。结果表明:随着应变率的升高,混凝土的强度会提高,并且这种强度的提高,也有一部分原因是第一应力不变量I₁的增大所导致的。因此,混凝土试件的应变率效应和横向惯性约束具有较强的耦合作用。理论和数值分析了冲击下试样内部的横向应力分布特征与应变率、静水压和试样尺寸的关系,结果发现:试样内部横向应力的幅值随着应变率、静水压的升高而增大,但随着试样尺寸的增大而减小。为了探讨横向惯性带来的强度提升效果,提出了一个有关冲击方向最大应力σ_x和等效应力σ_e的参数ξ,且ξ=(σ_x?σ_e)/σ_x。此参数具有尺寸效应、应变率效应和静水压效应,但是此参数与应力三轴度的关系表现出应变率无关特性,可为应变率效应的研究提供新的思路。     

应力调整对石英玻璃珠低速冲击破碎行为的影响

结合高速摄影技术,应用SHPB加载装置,分别使用钢制、铝制和有机玻璃制3种透射杆,对直径约7.90、11.80、15.61 mm 3种尺寸的石英玻璃珠进行了低速冲击实验。根据不同透射杆条件下的玻璃珠破碎过程中的载荷-位移曲线,结合有限元软件计算玻璃珠在冲击作用下载荷的变化情况以及实验过程中玻璃珠的应变,探讨了应力调整对玻璃珠破碎过程的影响。结果表明:相同冲击条件作用下,改变透射杆的材料,会改变玻璃珠破碎过程中的载荷分布,即透射端边界波阻抗的改变会导致反射波发生改变,从而导致玻璃珠内部载荷发生变化;透射杆为铝材和有机玻璃材质时,玻璃珠在破碎过程中的载荷明显下降,在加载过程中伴随着垫块的变形,玻璃珠内部的应力调整时间变长;透射杆为钢杆时,玻璃珠的应变主要表现为两端最大,越靠近中间应变越小,对于透射杆为铝杆和有机玻璃杆的玻璃珠,透射端局部出现了卸载行为。采用有机玻璃透射杆之后,局部应力和变形降低的结果使得玻璃珠在经受较大的变形之后发生破碎,表明玻璃珠的破碎行为由局部变形和局部变形梯度共同控制。     

梯度密度黏弹性材料的波传播研究

梯度密度黏弹性材料中波的传播比较复杂。为了研究其在冲击载荷作用下黏弹性响应特征,基于控制方程的Euler形式,利用Laplace变换,得到了这种材料中的波传播规律的一个理论公式;并据此分析了双层周期性黏弹性介质中的应力情况。选择具有梯度密度特性的钛-硼化钛（Ti-TiB₂）材料和碳纤维树脂材料,采用不同的叠合方向和方式,利用分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）加载装置进行了动态冲击实验,并用三波法对得到的实验结果进行处理。同时,采用数值Laplace逆变换方法,结合SHPB测得的入射波与透射波数据,使用推导的理论公式计算出理论解,并与实验结果进行了比较。结果表明:（1）梯度钛-硼化钛材料由于内界面和叠层界面的存在,表现出一定的黏性特性;单层Ti-TiB₂材料的计算结果和三波法分析得到的结果基本一致,双层Ti-TiB₂材料叠合后的计算结果与三波法分析结果存在一定的差异。（2）双层碳纤维树脂材料表现出较强的黏弹性特征,应力波的衰减幅度较大,三波法分析结果与该材料的冲击性能有较大的差异。由此可知,无论是细微观结构特征产生的黏性,还是材料本身的黏性,对材料动力学行为的影响都不可忽略。。     

基于分数阶模型的牡蛎壳动力学特性研究

贝壳、牡蛎等天然材料因其轻质高强的力学特性在材料设计等领域受到了广泛的关注,但由于材料本身结构的复杂性,对其力学行为的研究十分困难。近年来,分数阶模型在研究材料的力学特性上取得了成功,相比传统模型,分数阶模型可以更好地表征复杂介质的应力或应变与时间的关系。因此,本文从波传播理论出发,以分数阶模型作为材料本构,得到了复杂介质的波传播控制方程。通过Laplace变换得到了控制方程的解析解,并通过Laplace数值逆变换分析了波的衰减对分数阶模型中参量的敏感性,讨论了不同于材料弹性、黏性的材料“惯性”特性。接着,基于解析解和多种实验测试信号,给出了得到分数阶模型参数的拟合式子。以牡蛎材料作为研究对象,利用CO₂脉冲激光器进行小试样的冲击加载、应用两点激光干涉测速系统(laser interferometer velocimetry system, VISAR)对表面粒子的速度进行测量,得到了4种密度下不同厚度的牡蛎壳试样的粒子速度时程曲线,再结合上述理论方法分析得到了牡蛎壳试样的Abel模型和分数阶Maxwell模型的参数,模型参数反映了牡蛎壳试样的细微观结构特征。结果...     

双石英玻璃珠的低速冲击破碎行为

应用分离式霍普金森压杆(SHPB)加载装置,对直径为8.30、11.68、15.42、17.50 mm的石英玻璃珠开展了冲击速度为5.6~11.5 m/s的双玻璃珠系动态破碎实验。利用高速摄影技术记录双玻璃珠在动态冲击下的破碎过程,结合透射载荷-位移曲线以及破碎产物的粒度分析结果,探讨了石英玻璃双颗粒在冲击下的破坏机制。结果表明:由于双颗粒系中载荷的不均匀特性,两个玻璃珠的破碎具有时序特征,随冲击速度的增加而改变;玻璃珠的冲击破碎源于接触部位局部的Hertz裂纹扩张和裂纹系的扩散,而不是通常认为的贯穿性的斜裂纹体系;瞬态红外测温揭示了玻璃珠冲击破碎的两种主要机制和临界破碎扩散阻力的存在。研究结果对认识脆性颗粒介质的动态破坏机制具有良好的参考意义。     

水泥砂浆抗弹性能研究

对于水泥砂浆的抗弹性能研究,目前很少考虑靶体所处的应力状态,为此基于自研的真三轴静载混凝土侵彻实验装置和水泥砂浆抗弹性能实验结果,讨论了水泥砂浆在不同应力状态下的开坑深度和开坑阻力。应用侵彻深度的经验公式和基于HJC模型的有限元数值计算方法,对比分析了水泥砂浆侵彻实验,结果表明,对于低速冲击过程,采用UMIST公式和HJC模型的数值分析对开坑深度的预测较为有效。应力状态对开坑深度有明显的影响,即随着侧限增加,水泥砂浆的三轴强度提高,弹丸的开坑深度减小。应用基于HJC模型的数值分析方法,研究了弹丸开坑过程中弹体内的加速度波形和y轴支撑杆上的波形,结果表明:弹丸开坑过程对两种波形都有影响,其中y轴支撑杆上的波形可以更好地反映开坑过程。虽然数值模拟结果与实验波形的趋势基本一致,但是应力幅值有一定的差异,说明基于HJC模型的数值分析对开坑阻力的计算能力尚待提高。