高强度合金钢30CrMnMoRE/30CrMnSi的动态力学性能

针对合金材料在高冲击作用下的力学响应,采用分离式Hopkinson压杆（SHPB）系统确定武器弹药中常用的高强度合金30CrMnMoRE和30CrMnSi在不同应变率下的动态应力-应变关系,得到其动态应力-应变曲线及屈服强度,并结合Johnson-Cook模型对其动态本构进行拟合。结果表明,两种材料的应力-应变关系、强度等参数表现出明显的应变率相关性,随着应变率的提升,材料得到进一步强化,30CrMnMoRE的动态强度提高约79%,30CrMnSi的动态强度提高约50%。

     

聚氯乙烯弹性体动态拉伸力学性能实验研究

为研究软质高分子聚合物材料的静、动态拉伸力学性能,利用Instron-5943万能材料试验机和改进型分离式霍普金森拉杆（SHTB）实验装置对聚氯乙烯（PVC）弹性体材料进行了静、动态拉伸实验,得到了该材料在应变率为0.1 s⁻¹及400～1850 s⁻¹下的应力-应变曲线。动态拉伸实验过程中,联合波形图分析和高速摄像方法对试样连接方式和胶黏剂进行了优选,通过脉冲整形器延缓入射波上升沿以实现恒应变率加载,调整入射杆与吸收杆间空隙解决了入射波基线偏离问题。结果表明：PVC弹性体在准静态（0.1 s⁻¹）拉伸载荷下具有明显的线弹性特征,在动态（400～1850 s⁻¹）拉伸载荷下具有一定的黏性特征。构建了朱-王-唐（ZWT）非线性黏弹性本构模型以表征PVC弹性体材料的黏弹性力学特征,实验与模型拟合结果较吻合。

     

某含铝PBX压缩性能的应变率与温度效应

武器弹药在生产、存储、使用等过程中难免需要经受高温、高压、冲击等恶劣环境的考验。在这些极端环境下,作为装填物的高能炸药的力学性能在很大程度上会影响弹药的安全性,因此有必要对其力学性能展开深入的研究。在分离式霍普金森压杆实验平台上,采用单独加热试样快速装配的方法,对某含铝高聚物粘结炸药（PBX）在不同温度、不同应变率下的压缩性能进行了实验研究。在4种温度（12、29、45和62 ℃）下分别得到了不同应变率（250~1 200 s-1）加载下的压缩力学性能。实验结果表明,该PBX的压缩强度具有明显的应变率强化效应和温度软化效应,并且具有较好的线性关系,但破坏应变没有明显的变化。根据所得实验结果,利用双线性函数对压缩强度与温度和应变率之间的关系进行了拟合,认为此关系式仅适用于温度高于粘结剂玻璃转化温度情况下的动态压缩性能。     

低密度聚氨酯泡沫压缩行为实验研究

在室温下,对一种低密度硬质聚氨酯泡沫进行了准静态压缩及应变率在1103～5103 s-1范围内的冲击压缩实验。结果表明,所测试的聚氨酯泡沫材料在准静态实验与动态实验之间存在明显的应变率效应,但在纯动态实验中应变率效应不明显。最后,给出了以屈服应力、密度、应变等为参量的动态压缩本构关系,且能较好地与材料的动态压缩曲线吻合。     

压剪载荷作用下TB6钛合金的动态力学性能

钛合金以其轻质高强的优异力学性能被广泛应用于航空航天领域。使用Instron万能材料试验机和分离式霍普金森压杆,对TB6钛合金进行准静态和动态力学性能实验,得到了压缩、拉伸和压剪载荷作用下TB6钛合金的准静态和动态应力-应变曲线,构建了单轴压缩和纯剪切两种应力状态下的Johnson-Cook动态本构模型。结果表明,TB6钛合金的屈服应力表现出明显的拉压不对称性、应变率强化和热软化效应。使用拉压不对称因子,修正了von Mises屈服准则,修正的屈服准则可很好地预测TB6钛合金的准静态和动态屈服行为。

     

冲击载荷下土的动态力学性能研究

利用分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB）技术,研究了土体在不同应变率条件下的冲击动态力学性能,发现土体有明显的应变率效应,与静载相比,冲击载荷下土的动强度和动模量均有很大的提高。根据实验曲线的特征,以一根线性弹簧和两个不同松弛时间的Maxwell体并联的粘弹性模型来表达土体的损伤型粘弹性本构模型,两个Maxwell体分别表示土体的低应变率响应和高应变率响应,模型的数值拟合曲线与实测动态本构曲线具有较好的一致性。拟合参数表明,土体对低应变率的响应与混凝土相同,对高应变率的敏感性远远高于混凝土。     

高应变率下硅橡胶的本构行为研究

硅橡胶是一种高分子聚合物,可以承受大变形,用途广泛。利用改进的分离式霍普金森压杆（SHPB）实验技术,对硅橡胶试样进行了不同应变率下的冲击压缩实验,基于实验数据,利用应变能函数构建了考虑应变率效应的材料本构形式。同时,实验过程中发现,在高应变率加载条件下,材料在压缩变形后出现了损伤线区,线区直径与加载应变率及试样尺寸之间存在一定的定量关系。     

橡胶材料的动态压缩性能及其应变率相关的本构模型

利用Instron万能试验机与LC4超硬铝合金分离式Hopkinson压杆设备,对3种不同波阻抗的橡胶材料炭黑母胶（Carbon Black Rubber）、硅橡胶（Silicone Rubber）和泡沫橡胶（Foam Rubber）在较大应变率范围（0.002~15 000s-1）内进行了单轴压缩实验,研究应变率对橡胶材料力学性能的影响。实验结果表明：3种橡胶的准静态与动态应力-应变曲线具有不同的应变硬化形式,且动态加载下随着应变率的增大,硬化效应逐渐增强;在准静态及高应变率（12 000~15 000 s-1）压缩下,泡沫橡胶表现出多孔类材料压缩曲线的弹性、塑性崩塌及致密化3段特征。基于Rivilin应变能模型,构建了一个应变率相关的动态本构模型,模拟结果与实验结果吻合较好,可以用于描述较大应变率范围内3种橡胶的非线性应力-应变关系。     

炸药与不同材料之间摩擦系数的研究

采用分离式霍普金森压剪杆装置,对GO-924炸药与铝合金、橡胶、GO-924炸药之间在不同冲击加载条件下的摩擦系数进行了研究,得到了炸药与不同材料界面间的摩擦系数随时间变化的曲线。结果表明：炸药与铝合金之间的动摩擦系数维持在0.166~0.176范围内,且不随冲击加载速率的变化而变化;炸药与橡胶之间的动摩擦系数在运动过程中不断增大,其数值与冲击加载速率相关;炸药与炸药之间的动摩擦系数在运动过程中先增大,达到峰值后迅速下降,分析认为这种现象与炸药内部产生损伤有关。

     

入射波整形技术的实验和理论研究

 在硅橡胶材料的分离式霍普金森压杆实验中,实验研究了如何实现常应变率加载,并且得到了整形器尺寸与加载应变率之间,以及加载应变率与试样厚度之间的定量关系。根据预估入射波形的理论模型,给出了采用H62黄铜整形器整形后入射波形的计算结果和实验结果,二者基本上是一致的。     

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。     

碳纳米管薄膜层间改性复合材料在不同应变率下的力学性能

将浮动催化化学气相沉积法制备的碳纳米管膜作为碳纤维层间改性材料,采用热压成型工艺制备了碳纳米管膜/碳纤维/环氧树脂混杂复合材料,并对其进行准静态II型断裂韧性实验以及准静态和动态压缩实验。碳纳米管膜层间改性后,复合材料的II型断裂韧性比未改性材料提高约60%,扫描电镜图像显示增韧机理主要是碳纳米管对基体的桥联。压缩实验结果表明,准静态压缩下碳纳米管膜改性材料在面内和面外两个方向的压缩强度都得到一定提高,动态面外压缩时改性后材料的压缩强度提高约9%,但是动态面内压缩时压缩强度没有提高,断口形貌显示这主要是碳纳米管膜内的分层所致。

     

PVDF压电计的动态响应特性及其在橡胶材料SHPB实验中的应用

通过夹心式PVDF（Polyvinylide Fluoride）压电计的动态分离式Hopkinson压杆（SHPB）标定实验,系统地讨论了传感器的动态响应特性,其中包括测量电路、PVDF表面应力集中、压电计的材料及结构特性和同一压电计受多次撞击对测试信号的影响,为PVDF压电计的制作工艺研究提供参考。利用标定好的压电计测试了橡胶材料在SHPB实验中的动态应力均匀过程。结果表明：调节并联电阻值可以提高压电计的传感精度;增大压电计的敏感面积可以减小因应力集中所造成的信号失真;材料的热粘塑性性质、摩擦效应等将使信号振荡幅度偏小;多次撞击对信号的加载与卸载段都将产生影响,但当传感器表面未发生明显损伤时,测试的应力平台平均值与真实信号近似相同。     

一种立式分离式霍普金森压杆实验装置研制

低波阻抗材料通常可以用于吸能、缓冲等领域。用分离式霍普金森压杆实验装置测量这类材料的动态本构关系时,并不需要子弹拥有太高的冲击速度,但要求速度稳定,每次实验过程中的速度偏差要小。为此,依据自由落体原理,研制立式分离式霍普金森压杆,通过下落高度精确控制子弹撞击速度。通过夹持入射杆的摩擦力与入射杆重力相等的方法消除入射杆自重对实验结果的影响。通过对PVA（聚乙烯醇）纤维增韧混凝土的动态压缩实验验证该实验装置的可靠性。

     

不同硬度30CrMnSiNi2A钢的动态本构与损伤参数

为研究材料硬度对30CrMnSiNi2A钢动态本构与损伤参数的影响,基于万能材料试验机、分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置,研究了4种不同硬度30CrMnSiNi2A钢的准静态和动态力学性能。利用屈服强度与应变率、等效塑性应变的关系确定了Johnson-Cook强度模型参数,通过失效应变与应力三轴度、应变率的关系确定了Johnson-Cook失效模型参数,分析了强度模型和失效模型中参数的变化规律。结果表明：随着硬度的增加,30CrMnSiNi2A钢的塑性减弱,脆性增强,应变率敏感性减弱;硬度对30CrMnSiNi2A钢的动态本构与损伤参数有显著影响。