组合式隔热陶瓷短杆高温SHPB实验技术

讨论和分析了当前高温分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术,为了获得材料在高温下可靠的动态力学性能,建立了一套在压杆和试件之间添加隔热陶瓷短杆的高温SHPB实验系统。相比于传统接触式高温SHPB方案,该系统可以使用在更高的冲击载荷和温度下,与机械对杆方案相比,实验装置及其控制要简便许多。结合有限元模拟,对陶瓷短杆及温度场对压杆中应力波传播的影响进行了相应的评估,并利用这套实验系统得到了800℃下HR2抗氢钢的动态压缩应力-应变曲线。     

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。     

霍普金森杆电磁加载系统设计及实验

设计一种电磁加载系统应用于分离式霍普金森杆实验装置,能够克服传统气压驱动的缺点,达到精确控制入射应力波的目的。通过对电磁加载技术的调研,了解不同加载方式的电压等级,确定低压加载方式;构建系统等效RLC回路,推导回路参数与入射应力波的函数关系。结合理论计算,利用有限元软件进行耦合场仿真,仿真发现放电线圈匝数对入射应力波的幅频特性影响较大,同时为了保证电磁能量的利用效率,需要保证感应线圈的厚度大于磁渗透深度,最后根据实验要求确定电磁加载系统各参数。按照加载系统参数搭建实验平台,进行霍普金森杆冲击实验,通过对入射应力波的测量,验证了理论计算及软件仿真的正确性。     

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400～1 850 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(400～1 850 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。     

应变率和孔隙率对规则多孔钛压缩力学性能的影响

采用普通材料测试机和分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置对孔隙规则排布的多孔钛试样进行准静态及动态单轴压缩实验,研究了应变率和孔隙率对多孔钛材料弹性模量、屈服强度和能量吸收能力的影响。结果表明:在不同应变率下,规则多孔钛应力-应变曲线在特定区域均可近似为双线性模型;孔隙率对弹性模量、屈服强度和能量吸收能力有直接影响,屈服强度和能量吸收能力均与应变率相关,并给出了同时考虑孔隙率和应变率对屈服强度影响的经验公式。     

高温SHPB冲击实验技术及其应用

 为研究高温下材料的动态力学性能,研制了一套适用于分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB）高温冲击实验的温控系统。利用该温控系统和Φ100 mm常规SHPB装置,对混凝土在高温下的动态力学性能进行了实验研究,实验温度分别为20、200、400、600、800和1 000 ℃。结果表明：由管式实时加热装置和箱式预加热炉组成的温控系统操作方便,实验效率高,试件组装方法简便可行;热传导导致的试件温度分布不均匀和压杆局部温升对实验结果产生的影响可以忽略,实验技术可靠;高温下混凝土动态力学性能的温度效应十分明显,相同冲击速率下,随温度升高,平均应变率逐渐增大,动态应力-应变曲线逐渐表现出塑性特性,动态抗压强度随温度升高先增大后减小,动态峰值应变随温度升高不断增大。     

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。     

SHPB混凝土实验中试件尺寸的影响（英文）

分离式霍普金森压杆(SHPB)实验常被用来获得混凝土类材料的动态压缩强度,所得数据对建立本构方程有重要作用,因此需要对其进行正确解释或分析。利用最新的混凝土材料模型研究了SHPB实验中试件尺寸的影响。藉由混凝土试件的体积考虑动态尺寸效应的影响,并提出了一个计算由于惯性(约束)效应引起的动态增强因子的新经验公式。结果表明:新经验公式与不同尺寸混凝土的SHPB模拟结果吻合得很好,且惯性(约束)效应引起的动态增强因子随着试件尺寸的增大而增大。     

冲击荷载下植物纤维增强高聚物 复合材料的力学性能

植物纤维代替人造纤维作为填充体的增强高聚物复合材料可用于汽车、航空航天等工业。选用一定含量的植物纤维及其他填充材料增强高聚物复合材料,在万能材料试验机和分离式霍普金森杆实验装置上进行不同应变率下准静态和动态冲击拉伸及压缩实验。结果显示,在植物纤维中加入少量的纳米黏土颗粒和长玻璃纤维能够较大地提高复合材料的力学性能。使用扫描电子显微镜对不同应变率拉伸下的回收试件断口进行微观分析,揭示了植物纤维增强高聚物复合材料在不同应变率下的断裂特性。     

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。     

混凝土类材料在SHPB实验中惯性效应的数值模拟研究（英文）

分离式霍普金森压杆(SHPB)被广泛应用于测试混凝土类材料在高应变率(10~103 s-1)下的动态增强效应。为更好地理解这类问题,进行了数值模拟研究,采用J2本构模型研究SHPB试验中的纵向惯性效应,线性Drucker-Prager模型研究SHPB试验中的径向惯性效应。研究结果表明:纵向惯性效应不影响动态增强因子;径向惯性效应对动态增强因子有影响,但不是混凝土类材料在高应变率下动态增强因子提高的最主要原因。     

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。     

Ta-10W合金压缩力学性能实验研究

利用MTS材料试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置对非退火状态Ta-10W合金进行了准静态和动态压缩实验,给出了材料的静态压缩屈服强度和应变率在700~3 100 s-1范围内的动态压缩应力-应变曲线,并获得了不同应变率下材料的动态屈服强度。通过对实验结果的分析可以发现,非退火状态Ta-10W合金具有较好的韧性,在所进行的实验中试件表面均未出现可见裂纹;试件材料具有较高的静、动态屈服强度,静态屈服强度达到930 MPa,动态屈服强度在1 GPa以上,在所进行的700~3 100 s-1应变率范围内,材料的动态屈服强度随应变率的增加略有提高。     

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。     

PBX代用材料动态力学行为和微观结构的实验研究

 研究了固体炸药PBX代用材料D-90031的微观结构、压制过程中产生的原生缺陷形态，以及动态力学行为和破坏特征。采用数字图像分析技术、纳米力学测试系统，以及分离式霍普金森压杆（SHPB）实验和落锤冲击技术，获得了微观结构特点、各组分的硬度和弹性模量、动态性能，以及碎片的尺寸分布规律和材料的破坏形式。研究发现，晶粒的形态随外载的作用而改变，晶粒沿垂直加载方向伸长，材料的碎块尺寸满足一定的规律。研究结果对于深入认识固体炸药的性能与微观结构的关系具有一定的指导意义。     

冲击载荷作用下PZT-5压电陶瓷的力电特性

压电陶瓷是压电冲击传感器的核心元件。采用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术研究PZT-5压电陶瓷在冲击载荷作用下的力电特性,进行了4～14 m/s不同速度的实验。实验中为保证试件与压杆绝缘,采用了对试件影响较小的表面溅射Al2N3的工艺,溅射厚度为1～3μm。实验结果表明:在冲击加载过程中,PZT-5压电陶瓷的应变变化表现出黏性性质,其产生的电荷与加载过程中试件的应力、应变均相关;当加载速度超过一定值时,加载过程中压电陶瓷可能产生损伤,不同的损伤程度也影响电荷的产生;PZT-5压电陶瓷的力学和电学性能具有明显的率相关性。     

高温处理后活性粉末混凝土动力学行为及本构模型研究

 利用分离式霍普金森压杆系统,采用铅片作为整形器,分别对常温下及400、600、800 ℃高温处理后的活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete,RPC）试样进行单轴冲击压缩实验,研究高温后RPC材料的动态力学性能,建立高温处理后材料的率型本构模型。结果表明：经不同高温处理后的RPC材料的动态抗压强度和韧性指标均有较明显的应变率敏感性,而峰值应变、初始弹性模量受应变率影响不大;不同应变率下,400 ℃以上高温处理后RPC材料的单轴动态压缩力学性能有所降低。扫描电镜分析表明,高温处理后RPC材料微观结构的劣化是宏观力学性能降低的根本原因。对ZWT粘弹性本构模型进行了修正,修正后的模型适用于混凝土材料经高温处理后的率型本构关系的分析。     

高温高应变率下ZL101A铝合金的流变应力特征与本构模型

采用分离式霍普金森压杆系统和高温设备对ZL101A铝合金进行了常温和高温下的动态压缩实验,得到了应变率范围为2 900～6 100 s^-1、温度范围为20～600℃的动态压缩应力-应变曲线。实验结果表明：ZL101A铝合金具有应变率硬化效应,并且随着温度的升高,应变率硬化效应减弱;ZL101A铝合金在不同应变率下均存在明显的温度软化效应,且随着温度的升高,塑性变形引起的绝热温升使热软化作用增强。为了得到应变率和温度对材料流变应力的影响,将应变率效应和温度效应进行解耦,得到一种适用于ZL101A铝合金材料的动态本构模型。对比模型预测结果与实验数据发现,建立的本构模型可以很好地描述ZL101A铝合金的流变应力特征。     

聚甲基丙烯酸甲酯的冲击破碎扩散特性

应用霍普金森压杆(SHPB)实验装置,通过改变透射杆为钢杆和铝杆,对立方体聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)试样和两种梯台PMMA试样进行动态压缩实验.利用高速摄影记录试样的压缩过程,并结合力位移曲线分析试样的破碎过程,探讨了冲击载荷作用下PMMA试样变形和广义扩散阻力的演化.结果表明:试样的破坏模式主要为接触端局部产生失效阵面,然后失效阵面向试样内部扩展.立方体试样在低速冲击下,失效阵面优先在透射端产生;在高速冲击下,失效阵面在入射端先产生.通过改变试样形状和透射杆材质后,阵面的产生存在明显的弛豫现象,并且失效阵面仅在入射端产生.梯台试样破碎前的压缩变形是非均匀的,试样内部应力状态和变形状态随着截面增加逐渐变小,并且呈线性扩散分布.通过应变分布结合剪切激活扩散方程,得到失效阵面扩散过程中的广义扩散阻力分布情况;失效阵面前后广义扩散阻力先增加后减小,阻力的幅值与局部应变能的释放有关.     

基于冰颗粒增强的冻土细观动态本构模型

为了直观地描述冻土在冲击加载下的动态力学性能和应力-应变关系,从细观出发,将冻土视为冰颗粒增强的复合材料,建立了基于冰颗粒增强的冻土细观动态本构模型。根据土相在冲击作用下层层破坏的特点,假定冲击层的动模量因冲击损伤而发生变化,在模型中引入了应变率项。利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对冻土进行冲击加载实验,通过改变温度和应变率,获得了冻土在不同实验条件下的动态冲击应力-应变曲线。实验结果表明,冻土具有明显的温度效应和应变率效应。模型计算结果与实验结果符合良好,验证了所建立的动态本构模型的合理性和适用性,具有很强的工程应用价值。