冲击载荷作用下韧——脆复合板结构中脆性材料破碎的实验和数值模拟

本文以冲击实验和有限元分析研究了韧－脆复合材料结构中脆性材料的破碎问题，材料的破碎图具有一定的分形特征，其分形维数随冲击载荷的增大而增加，基于实验结果的非线性动力有限元分析对这类破碎图样的演化给出了动态过程模拟。     

基于分形统计强度理论的煤颗粒冲击破碎概率研究

基于分形统计强度理论对煤颗粒的冲击破碎概率进行研究.以Hertz接触假设为基础,得到煤颗粒冲击破碎概率与最大接触压应力之间的函数关系,并结合碰撞动力学理论,建立了冲击破碎概率的分形模型.对不同矿区工作面的煤颗粒进行冲击破碎试验,统计分析表明:分形模型可以对煤颗粒的冲击破碎概率进行很好的描述,冲击破碎概率与冲击速度在对数坐标中为线性关系.通过试验确定分形模型的分形维数和破碎常数,可以得到不同冲击速度下煤颗粒的冲击破碎概率以及煤颗粒全部破碎需要的冲击速度,为冲击破碎效果评价以及冲击速度的确定提供了理论指导.     

准噶尔盆地火成岩动态冲击破碎特征研究

针对准噶尔盆地石炭系火成岩难钻地层,利用改进的立式霍普金森压杆装置,开展了准噶尔盆地石炭系的安山岩、流纹岩、凝灰岩、玄武岩四种火成岩的动态冲击破碎实验;分析了4种冲击速度及不同应变率下火成岩的动态峰值应力、破碎特征;建立了应变率与分形维数的关系。结果显示:动态峰值应力与应变率呈较好的正相关性线性关系,玄武岩在应变率为286.7s~(-1)时,动态峰值应力达到653MPa;随着冲击速度增大,岩石应变率持续增加,所有试样的破碎程度明显增大;在冲击速度为16m/s时,岩石试样应变率在157.8s~(-1)～296.3s~(-1)之间,破碎岩屑的平均破碎块度在16mm以下。分形维数能较好地描述岩石的破碎特征,随着应变率的增大,碎屑分形维数呈增大趋势;当应变率超过157.8s-1时,火成岩试样破碎岩屑的分形维数显著增大至1.5以上;在所有冲击破碎实验中,火成岩试样碎屑没有出现粉末状态。相同冲击条件下,四种火成岩中玄武岩表现出更高的强度,动态峰值应力更高。     

动静组合加载作用下花岗岩破碎的分形特征

在分离式霍普金森压杆实验装置上进行了花岗岩破坏的动静组合加载实验.通过对受载后岩样破碎块度进行筛分统计,得到了该加载条件下岩石破碎的粒度分布.在此基础上,通过理论计算公式,进一步得到了相应的破碎分形维数,分别探讨了静载荷和冲击载荷对分维数的影响.结果表明,动静组合加载作用下花岗岩破碎分维值在2.0～2.8之间;相同静载不同动载下,花岗岩的破碎分维值与试样的应变率有关,随应变率增大而增大;而在相同冲击动载下,静载荷变化对分形维数的影响不大.     

冲击载荷下脆性空心颗粒破碎机理

为考察脆性空心颗粒在冲击载荷作用下的应变率效应和破碎行为的细观机理,以粉煤灰漂珠为研究对象,基于低速冲击实验和有限元数值模拟,对比了典型空心颗粒材料在不同加载速率下的力学响应特性和细观压溃行为,阐释了材料宏观应变率效应产生的细观机理,获得以下结果。（1）在0.001～300 s?1应变率范围,漂珠颗粒的破碎率和Hardin破碎势平均提升了约21%和10%～30%,材料比吸能提升了50%～125%,比吸能的额外增加主要与动态颗粒滑移产生的摩擦耗能相关。颗粒平均尺寸较大的试样体现出更强的应变率效应。（2）初始压溃阶段的应力应变响应特征的数值模拟结果与实验结果较吻合,低速冲击下动态二次压溃现象产生的细观机理为动态颗粒滑移和压紧行为对加载速率的依赖性。(3) 数值模拟表明,冲击加载下产生相同应变时颗粒的损伤程度和范围大于准静态加载,这与实验所得破碎势随应变率增加的结果一致。对比低速冲击实验的相对破碎势分析和细观数值模拟结果可知,脆性颗粒堆积材料在动态冲击下表现出的宏观应变率效应主要归因于颗粒压溃行为的率敏感性和动态加载下颗粒破碎能量利用率的降低。     

高应变率加载下材料的损伤破碎规律

对材料损伤破碎规律的分析是研究材料损伤断裂行为的一种有效途径。本文着重介绍了高应变率加载下材料损伤破碎规律的研究进展、基于损伤断裂机理的研究以及材料损伤破碎过程自相似性的分形理论研究,讨论了材料损伤破碎规律与材料自身属性和外部加载条件的相互关系。     

Zr基非晶合金破片冲击破碎反应机制研究

为研究Zr基非晶合金破片的冲击破碎反应机制,进行了准密封箱冲击超压实验,测试了破片的碎片粒度,分析了碎片尺寸分布关系,并对不同粒径尺度的碎片进行了X射线衍射分析。实验结果表明,材料在冲击加载下的反应程度随着撞击速度的升高而增大;碎片分布符合分段式幂次律分布规律;材料冲击诱发的化学反应主要为Zr元素与空气中氧气的燃烧,其主要反应产物为ZrO₂。基于冲击升温-碎片分布-碎片燃烧的冲击破碎反应理论模型能较好地解释冲击作用下Zr基非晶合金破片的反应规律,理论计算与实验结果吻合度较高。     

地质材料力学中的分形几何现象

地质材料力学行为复杂多变,它可能构造于一个分数维空间.本文主要探讨地质材料力学中的分形几何现象,构造了岩石破碎过程的分形图,讨论和分析了地质材料的应力应变关系、微观断裂、裂纹分叉及开采引起上覆岩层陷落中表现出的分形几何特征.     

激光刻痕聚丙烯塑料失效破坏的参数识别

采用等效截面积法建立了激光加工微孔的有限元模型及带激光刻痕聚丙烯塑料板的冲击模型,并 通过参数识别方法确定了材料的失效应变。通过极差分析得出该塑料材料的冲击断裂强度随撕裂线直径的 增大而增大,随冲击速度的增大而减小。这与实验结果一致。     

冲击膨胀环实验技术

膨胀环技术是一种研究高应变率加载下材料力学性能及动态拉伸破碎特性的实验方法,具有试样的应力状态近似一维、无边界条件等优点,在处理应力波相互作用关系复杂的动态破碎问题方面优势明显。为了方便膨胀环技术在实验室内使用,设计了一种基于轻气炮的冲击膨胀环实验装置,实现了材料的一维高应变率拉伸加载。冲击膨胀环装置采用轻气炮加速低密度高聚物弹丸,高速撞击驱动器内低密度高聚填充物,低密度高聚物挤压膨胀导致驱动器内部压力瞬时达到GPa级,驱动器向外膨胀实现径向加载,试样圆环在驱动器的作用下瞬间获得较高初始速度。实验中利用激光位移干涉仪测量试样的径向速度历史,经过数据处理可以获得材料的应力、应变和应变率的关系,收集试样圆环破片可以获得材料的动态拉伸破碎特性。基于轻气炮的冲击膨胀环实验技术方便、有效,已成功应用于1100-O铝材料的动态性能和破碎特性测试。     

几种牙科用复合材料的摩擦磨损性能研究

测量了Compoglass、F2000、Elan及Dyract-AP等4种牙科用复合材料中的玻璃颗粒含量及其表面硬度;采用球-盘往复摩擦磨损试验机考察了其摩擦磨损性能.结果表明:F2000的摩擦系数最高,Elan的摩擦系数次之,Dyract-AP的摩擦系数最低;复合材料的摩擦系数随玻璃颗粒含量增加而增加;在相同试验条件下,Dyract-AP和Compoglass的耐磨性较好;其磨损机理主要表现为由玻璃颗粒脆性断裂引起的玻璃颗粒脱落和磨粒磨损.     

脆性材料裂纹扩展的分形运动学

大量实验结果表明脆性材料裂纹扩展路径是弯弯曲曲的，不规则的，断裂表面粗糙不平，表现出分形特征。本文应用分形几何推导出脆性材料裂纹扩展的分形运动学公式，得到了动、静态断裂韧性与分形裂纹扩展速度、裂纹长度、微结构特征量δ＿ｃ以及分形维数之间的关系；推导出了裂纹扩展速度的计算公式，得出宏观量测的裂纹扩展速度Ｖ＿０应小于分形裂纹扩展速度Ｖ；并推导出直接根据材料动、静态断裂韧性和裂纹扩展速度Ｖ＿０估算材料裂纹扩展路径的分维计算公式．本文理论分析结果与实验值在定性定量上达到了较好的一致。     

层合板冲击损伤的PD率效应本构模型分析

从近场动力学(简称PD)理论的PMB材料模型出发,结合Kelvin-Voigt粘弹性固体模型,建立PD率效应本构模型。采用LAMMPS软件模拟了环氧树脂板、纤维增强复合材料单向层板和多向铺层层合板受冲击的情况。通过分析各板的冲击损伤,探索纤维对板的增强作用。同时,分析了不同冲击速度下层合板上下表面的损伤程度,初步探讨了从低速碰撞到高速冲击过程中复合材料层合板的破坏机理及规律。     

脆性材料的分形统计强度理论

基于脆性材料中裂纹尺度的分形分面和最弱环原理的假设，导出了裂纹尺频分布的分形维数Ｄ与经典统计强度理论中Ｗｅｉｂｕｌｌ模量ｍ之间的关系，揭示了ｍ的几何实质，并且同时考虑裂纹的尺度分布和方位分布及裂纹扩展路径的不规则性对统计强度的影响，从理论上推导了复杂应力状态下脆性材料统计强度σ的一般表达式。     

Quasistatic thermal crack extension in the interfaces of bounded self-stressed multiphase compounds

The quasistatic growth of straight interface cracks in thermally loaded brittle multiphase solids consisting of two circular segments of brittle materials with different thermoelastic properties which are glued together at the interface with a special glass seal has been investigated. The resulting mixed boundary-value problems of the stationary plane thermoelasticity have been solved by applying the finite element method. Moreover, fracture mechanical data like crack surface displacements and strain energy release rates governing the propagation behavior of a quasistatic extending thermal interface crack have been calculated. The data obtained have been compared with the results of special cooling experiments in multiphase composite structures in which curved thermal cracks in one of the circular segments occur.     

STATISTICALLY FRACTAL STRENGTH THEORY FOR BRITTLE MATERIALS

Based on the hypothesis of the fractal distribution of crack sizes in brittle materials andthe weakest link principle,the relationship between the fractal dimension of the size-frequency distri-bution of cracks and the Weibull Modulus is derived,which reveals the geometrical nature of theWeibull Modulus.The influences of the size distribution and the orientation distribution of cracks aswell as the irregularity of the crack propagation on the strength are all taken into account.Finally,ageneral expression for the statistical strength of brittle materials in complex tensile stress state is ob-tained.     

脆性无序介质冲击破碎过程及其非线性动力学特性的细观模拟

为了模拟脆性无序介质的冲击破碎过程以及揭示其所伴随的非线性动力学特性，提出了梁－颗粒细观数值模型。在该模型中，介质被随机地离散成Ｖｏｒｏｎｏｉ多边形单元，相邻多边形采用弹脆性梁单元联结，介质的连续损伤和破坏由梁单元的断裂来模拟。算例表明，梁－颗粒细观数值模型不仅能实时给出介质的破碎图象及其分形维数，而且还能模拟介质内部应力和质点运动速度随时间的演化过程。     

An experimental investigation on impact response of laminated composite beams

Experiments based on a new technique were carried out to study the response of glass/epoxy laminated composite beams subjected to impact loading. A number of glass/epoxy composite beams with different fiber orientations, spans, thicknesses, and support conditions were impacted with an instrumented impact hammer and the responses were picked up using an accelerometer in conjunction with a spectrum analyzer. Free vibration test for some sample beams were also carried out to determine their fundamental frequencies.     

纤维/金属网增强层板低速冲击损伤机理和演化

本文首先通过落锤低速冲击实验测试了纯玻璃纤维增强环氧树脂复合材料和304不锈钢丝网(SSWM)/玻璃纤维混杂复合材料的力学性能,探究了SSWM嵌入数量对混杂复合材料抗冲击性能的影响．随后采用Abaqus有限元软件建立了混杂复合材料的低速冲击模型,分别采用三维Hashin失效准则和Jason-Cook破坏准则模拟了纤维/基体和SSWM的损伤;建立了基于表面接触的内聚力模型来模拟界面分层;编写了VUMAT用户子程序定义混杂复合材料层合板的渐进失效过程．结果表明：相较于纯玻璃纤维增强环氧树脂层合板,SSWM/玻璃纤维混杂增强环氧树脂层合板的抗冲击性能更优,其中铺层形式为铺层III的混杂复合材料抗冲击性能最佳．通过对比发现有限元仿真结果与实验结果吻合良好,表明建立的模型适用于SSWM/玻璃纤维混杂增强环氧树脂复合材料低速冲击损伤的评估．通过分析仿真结果发现混杂复合材料的低速冲击损伤主要是冲击区域的纤维断裂、基体破坏和层间分层;SSWM通过吸收和传递冲击能量从而提升了混杂复合材料的抗冲击性能．     

On the relationship between impact energy and delamination area

Thin glass/epoxy plates fabricated from 3M prepreg tape were subjected to low-velocity impact. Delamination in the impacted composite plates was measured by edge replication and was identified as the major damage mode. The effects of fiber orientation, thickness, and lamination on the delamination resistance were investigated. Experimental results verified three previous findings: (1) a linear relationship holds between delamination area and impact energy, (2) the mismatch of bending stiffness between adjacent laminae can be correlated with the delamination area on the interface, and (3) the behavior of a thin composite plate under low-velocity impact is very similar to that caused by global bending. In addition, based on the calculation of impact energy per unit delamination area, the dynamic fracture energy and the energy of dissipation in the thin glass/epoxy plates can be examined.