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...     

不同加载状态下TA2钛合金绝热剪切破坏响应特性

一般认为绝热剪切现象在宏观上表现为材料动态本构失稳,即热软化大于应变硬化.本文采用帽型受迫剪切试样研究TA2钛合金的动态力学特性和本构失稳过程.首先对剪切区加载应力状态进行理论和数值分析,通过合理设计帽型试样,剪切区变形可近似按剪切状态处理;结合二维数字图像相关法(two-dimensional digital image correlation,DIC-2D)直接测试试样剪切区应变演化,给出帽型受迫剪切实验的等效应力-应变响应曲线.进一步,利用Hopkinson压杆对TA2钛合金开展动态压缩及帽型剪切对比试验研究,比较压缩、剪切试验得到的等效应力-应变曲线,采用"冻结"试样方法分析试样中绝热剪切局域化演化过程,探讨不同加载状态下TA2钛合金的绝热剪切破坏现象及其动态力学响应特性.实验结果表明,在塑性变形初始阶段,动态压缩及剪切加载下的等效应力-应变曲线符合较好,但随塑性损伤发展及绝热剪切带形成,两者出现分离,表明损伤及绝热剪切演化过程与应力状态相关.剪切试样实验得到的本构"软化"特性能够反映绝热剪切带起始、破坏演化过程的力学响应特性,而在动态压缩实验中,即使试样中已出现双锥形的绝热剪切带及局部裂纹分布,其表观等效应力-应变曲线并不出现软化特征,动态压缩实验无法得到关于绝热剪切起始、发展以及破坏的本构软化响应特性.     

应变率历史对应力应变曲线的影响

利用普通SHPB实验系统、双试件SHPB实验系统，对一特种钢材进行了不同应变率历史的动态压缩实验，获得了不同应变率历史所对应的应力应变曲线。通过量化平均应变率相同的情况下不同应变率历史所对应的应力应变曲线的差别，以及量化应变率历史的恒定程度，初步分析了应变率历史对应力应变曲线的影响。研究结果表明:特别是在较高平均应变率下，应变率历史对试件材料的应力应变曲线有明显的影响，在材料动态本构关系研究中应当考虑应变率历史的影响。     

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.     

酚醛层压材料的冲击力学行为及本构模型

为了研究酚醛层压材料的冲击力学行为并获得本构模型,利用万能试验机和整形修正的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对材料试样进行了应变率范围为10-3~103 s-1的单轴压缩实验,得到了不同加载应变率下的应力应变曲线,对其在准静态、动态载荷下的压缩破坏机理进行了初步探讨。结果表明,酚醛层压材料具有较强的应变率效应,与准静态(1.67×10-3 s-1)时相比,在动态载荷(7×102 s-1)下,峰值应力增加了约10倍;破坏应变减少了约一半;在准静态和动态加载条件下试样力学性能的差异是由于纤维基体界面特性以及不同应变率下破坏模式的不同;采用朱-王-唐本构方程描述了酚醛层压材料力学行为,拟合得到了本构方程的系数,在加载过程中,理论计算值与实验结果吻合较好。     

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。     

A non-linear uniaxial integral constitutive equation incorporating rate effects,creep and relaxation

A previously proposed first order non-linear differential equation for uniaxial viscoplasticity, which is non-linear in stress and strain but linear in stress and strain rates, is transformed into an equivalent integral equation. The proposed equation employs total strain only and is symmetric with respect to the origin and applies for tension and compression. The limiting behavior for large strains and large times for monotonic, creep and relaxation loading is investigated and appropriate limits are obtained. When the equation is specialized to an overstress model it is qualitatively shown to reproduce key features of viscoplastic behavior. These include: initial linear elastic or linear viscoelastic response: immediate elastic slope for a large instantaneous change in strain rate normal strain rate sensitivity and non-linear spacing of the stress-strain curves obtained at various strain rates; and primary and secondary creep and relaxation such that the creep (relaxation) curves do not cross. Isochronous creep curves are also considered. Other specializations yield wavy stress-strain curves and inverse strain rate sensitivity. For cyclic loading the model must be modified to account for history dependence in the sense of plasticity.     

PMMA材料的动态压缩力学特性及应变率相关本构模型研究

利用INSTRON万能试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB)对PMMA试件在较宽应变率范围内进行了单轴压缩实验,研究加载应变率对PMMA材料力学性能的影响.利用扫描电子显微镜对回收的试样进行了显微观察,重点分析不同加载应变率下PMMA的微观损伤破坏模式.结果表明:随着应变率的增大,PMMA的流动应力显著地增加,且冲击加载条件下,峰值应力的应变率敏感性明显高于准静态;在准静态加载条件下,PMMA试样呈现明显的延性破坏特征,在动态加载条件下则表现为脆性破坏.最后,对PMMA材料的ZWT粘弹性本构模型参数进行了拟合,拟合结果与实验结果吻合较好,表明该本构模型能够较好地描述较宽应变率范围内PMMA材料的应力应变关系.     

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。     

单轴载荷下X80钢的包申格效应研究

本文通过单轴拉伸和压缩试验研究了X80管线钢的包申格效应(BE)。采用正向与反向加载方法研究材料变形历史特性。测定了X80钢的简单拉伸试验曲线,其应力-应变关系表明,该材料具有理想弹塑性特点。为了得到X80钢的BE,在不同预变形下对几个试件分别进行加载,并当给定的预应变值分别达到0.63%,0.67%,0.95%,1.27%和1.55%时就卸载。随后再进行反向加载实验,并记录应力应变曲线。该钢材反向加载时出现加工硬化,且屈服强度比正向加载时要低。正反向加载之间的屈服强度差值随着预应变增加而增大;当预应变超过0.95%时,反向屈服强度达到恒量。实验表明,X80钢的反向加载特性可用Remberg-Osgood关系拟合。最后给出了屈服强度降和预塑性应变之间的经验公式。     

聚氨酯(PU)在力学性能测试中的摩擦效应与变形均匀性研究

作为防弹玻璃夹层材料,PU的动态力学性能一直受到学者们的关注。为准确表征其动态力学性能,本文采用ABAQUS有限元软件对不同摩擦系数下的单轴压缩试验进行数值仿真,分析试样加载端面的摩擦效应和几何尺寸对单轴压缩试验结果的影响;结合高速摄影技术(HSP)与数字图像相关技术(DIC)观测到试样在拉伸试验中的动态变形场和应变场,探讨标距段的应力均衡性;同时对PU材料在不同应变率下的单轴压缩、拉伸力学性能进行测试。结果表明:压缩试样的端面摩擦效应限制横向变形,影响了试样内部的受力分布,使得测量得到的应力值偏大;试样长径比越小,端面摩擦效应的影响越大;在单轴动态拉伸试验中,板状拉伸试样的标距段选取应当考虑两端倒角尺寸。通过测试PU的拉、压力学性能,发现材料具有显著的应变率敏感性。     

一种新形式的钢纤维混凝土冲击动态本构关系及材料参数的确定

采用?75 mm大口径SHPB系统进行了钢纤维体积率为0%、0.75%、1.5%三种混凝土材料动态性能实验,得出了不同钢纤维含量、不同应变率下的材料应力-应变关系曲线,实验结果表明:随着纤维含量及应变率的增加,钢纤维混凝土材料的峰值应变、峰值应力都随之提高,并在峰值应力之后出现应力的应变软化现象。以此实验结果为基础,提出了一种依赖于应变和应变率相关函数的新型非线性黏塑性动态本构关系,并通过对实验曲线的三步逐次最小二乘优选模拟,得到了相应的材料参数。结果表明,该本构关系对实验数据的模拟效果较好。     

一种基于电磁霍普金森杆的材料动态包辛格效应测试装置及方法

金属材料在复杂载荷条件下的动态力学行为研究一直备受关注,但受限于实验设备,金属材料的动态包辛格效应响应一直都难以获得。为了探究金属材料的包辛格效应与应变率效应之间的关系,本文中提出一种基于电磁霍普金森杆(electromagnetic split Hopkinson bar,ESHB) 的非同步加载实验技术,为测试金属材料在高应变率加载下的包辛格效应提供了一种有效的实验方法。本文中,首先介绍了非同步加载装置的主要特点,即可以用两列由脉冲发生器产生的应力波对受载试样进行连续的一次动态拉-压循环加载,且加载过程保证了应力波的一致性。分析了应力波对试样加载过程中的波传播历程,确保了加载过程的连续性。随后介绍了动态加载过程,数据处理方法和波形分离手段,并对动态加载过程进行应力平衡性分析,论证了实验装置的可靠性。最后采用该方法测试了5%预应变下6061铝合金动态压缩-动态拉伸的包辛格效应,并与准静态下的实验结果进行对比。实验结果表明,该材料单轴压缩没有明显的应变率效应,但其包辛格效应具有应变率依赖性,高应变率下材料的包辛格应力影响因子由0.07增大至0.17,具有显著的提升,这对传统意义上铝合金材料应变率不敏感的结论提出了挑战。     

激光金属沉积GH4169在不同应变率下的剪切特性及破坏机理研究

为了能在传统的分离式Hopkinson压杆上准确可靠地测试激光金属沉积GH4169的动态剪切特性，基于数值模拟方法对比分析了三种不同动态剪切试样形式及尺寸对剪切区应力分布的影响，结果表明:经过尺寸优化后的双剪切试样的剪切区剪应力占主导地位，可实现近似纯剪切的动态剪切实验。利用此试样形式，系统测试了不同取向（扫描方向、沉积方向）的LMD GH4169试样在不同应变率下的剪切应力应变曲线，并对破坏后试样进行了SEM分析观察。结果表明:(1) 本文中选用的试样形式剪切纯度高，应力沿剪切区宽度厚度分布均匀，可以更好地得到材料的动态剪切特性；(2) 对实验所得剪应力-剪应变曲线进行分析，发现本材料在扫描路径方向和沉积方向并没有表现出明显的各向异性，但随着应变率的增加，具有明显的应变率强化效应；将单轴压缩和动态剪切应力应变曲线同时转换为等效应力应变曲线，对比证实了试样形式能很好反应材料的剪切特性；(3) 通过对LMD GH4169剪切变形破坏试样的微观分析发现，随着应变率升高，断口韧窝尺寸和深度减小，韧性降低，在更小的变形量下容易剪切失效。初始微观缺陷容易导致材料的动态剪切破坏。     

金属材料在复杂应力状态下的塑性流动特性及本构模型

工程应用中,金属材料和结构往往处于复杂应力状态。材料的塑性行为会受到应力状态的影响,要精确描述材料在复杂应力状态下的塑性流动行为,必须在本构模型中考虑应力状态效应的影响。然而,由于在动态加载下材料的应变率效应和应力状态效应相互耦合、难以分离,给应力状态效应的研究和模型的建立造成很大困难。通过对Ti-6Al-4V钛合金材料开展不同加载条件下的力学性能测试,提出了一个包含应力三轴度和罗德角参数影响的新型本构模型,并通过VUMAT用户子程序嵌入ABAQUS/Explicit软件。分别采用新提出的塑性模型和Johnson-Cook模型对压剪复合试样的动态实验进行了数值模拟。结果表明,新模型不仅在对材料本构曲线的拟合方面具有较强的优势,而且由该模型所得到的透射脉冲和载荷-位移曲线均更加准确。因此,该模型能够更精确地描述和预测金属材料在复杂应力状态下的塑性流变行为。     

Loading and unloading split hopkinson pressure bar pulse-shaping techniques for dynamic hysteretic loops

Pulse-shaping techniques are developed for both the loading and unloading paths of a split Hopkinson pressure bar (SHPB) experiment to obtain valid dynamic stress-strain loops for engineering materials. Front and rear pulse-shapers, in association with a momentum trap, are used to precisely control the profiles of the loading and unloading portions of the incident pulse. The modifications, ensure that the specimen deforms at the same constant strain rate under dynamic stress equilibrium during both loading and unloading stages of an experiment so that dynamic stress-strain loops can be accurately determined. Dynamic stress-strain loops with a constant strain rate for a nickel-titanium shape memory alloy and polymethyl methacrylate are determined using the modified SHPB. The modified momentum trap prevents repeated loading on a specimen without affecting the amplitude of the desired loading pulse and without damaging the bar at high stress levels.     

套管式冲击拉伸实验装置的研制

介绍了几种常见的冲击拉伸实验装置,并做了简要的评述.提出了一种改进后的套管式冲击拉伸实验装置,该装置直接产生拉伸脉冲,消除了反射式冲击拉伸实验装置中两种干扰信号的影响,得到了远比反射式冲击拉伸实验更为理想的透射波形.运用改进后的套管式冲击拉伸试验装置对几种板材材料进行了动态拉伸实验,得到了这几种板材在600/s,1200/s,1800/s应变率下的应力应变曲线,与静态应力应变曲线相比较,反映了这几种板材具有明显的应变率效应.根据实验结果中动态与静态应力应变曲线的一致性,分析了这种套管式冲击拉伸实验装置的优越性与有效性,它能更好地反映材料的动态力学性能.     

填充硅橡胶的泡沫铝复合材料的力学性能

用渗流法向开孔泡沫铝-硅合金和泡沫纯铝中充填硅橡胶获得含硅橡胶的泡沫材料, 在材料试验机和SHPB上对含硅橡胶的复合材料进行动态与准静态压缩实验。实验结果表明:含硅橡胶的泡沫复合材料只有弹性段和塑性段两个阶段,具有更高的应变率敏感性,其应力-应变曲线抖动幅度比较大。     

泡沫铝合金动态力学性能实验研究

利用分离式霍布金森压杆(SHPB)实验技术和MTS材料实验机对两组不同孔径、不同密度的开孔泡沫铝合金进行了准静态和动态压缩实验研究。实验结果表明:泡沫铝合金的静态和动态变形过程均具有泡沫材料变形的三个阶段特征。开孔泡沫铝合金的变形是均匀变化过程，并不出现局部的变形带。与相对密度对力学性能的影响相比，孔径大小的影响可以忽略不计。在考察的应变率范围内，屈服应力对应变率并不很敏感。     

高强混凝土动态压缩试验分析

准确测量混凝土动态压缩性能及其应变率强化效应一直是冲击动力学研究领域的重点和难点之一。针对混凝土大口径SHPB实验,分析探讨了其中几个主要问题:应力均匀性问题、恒应变率问题和端面接触问题。研究表明:对于此次试验中混凝土试件而言,应力均匀性假设限制试验最大应变率小于166 s^-1;杆和试件端面接触不平和接触不良使得测算出的杨氏模量和屈服强度明显小于实际值;在此基础上,给出了五步测试法和预应力法;利用复合整形技术实现了近似恒应变率加载。利用以上所发展和改进的技术得到了C110混凝土动静态应力应变曲线,结果显示,在试验范围内混凝土杨氏模量并没有应变率效应,其单轴压缩屈服强度与应变率对数呈线性正比关系,其唯象应变率强化因子为0.10。理论分析表明,大口径SHPB试验所得混凝土应变率效应是一种唯象效应,对于混凝土类压力敏感屈服材料而言,应该根据其屈服面方程对其进行校正,从而得到其本构方程中材料的应变率强化因子,分别利用Tresca屈服准则和K&C本构中屈服面方程对其进行校正,得到C110材料的真实应变率强化因子分别为0.015和0.038。