混凝土一维应力层裂实验的全场DIC分析

基于74 mm直径分离式Hopkinson杆(SHPB)实验平台进行了混凝土杆的一维应力层裂实验.采用超高速相机(采样频率:2μs/frame)结合数字图像相关法(DIC),记录混凝土试件中的动态位移场实时变化情况,探讨了混凝土在拉伸断裂过程中的表面位移场及速度场演化规律.针对实验中出现的多重层裂现象,基于一维应力波传播理论,指出各个位置在发生层裂时,其最大拉应力均由透射压缩波与反射拉伸波叠加而成,各处层裂发生时均处于一维应力状态.并提出了根据层裂位置左右两点速度趋势变化判断层裂发生时刻的判据.该判据可以给出所有层裂的起裂时间,结合DIC分析直接给出了混凝土多重层裂应变.结果显示混凝土的拉伸强度具有明显的应变率效应,在30 s~(-1)的应变率下,其拉伸强度的动态增强因子(DIF)可以达到5.与传统的波叠加法和自由面速度回跳法相比,DIC全场分析法不受加载波形限制,可以精确给出每个层裂的位置和起裂时间,从而得到试件在高应变率加载下不同位置处的断裂应变、拉伸强度及相应应变率,提高了测量效率.     

混凝土材料的层裂特性

利用Hopkinson压杆作为实验设备,通过试件后面吸收杆上应变波形研究了混凝土材料的层裂特性。不同强度混凝土在不同加载率下的实验结果表明,混凝土层裂强度与其压缩强度以及加载速率有关,给出了层裂强度和压缩强度以及加载率之间关系的经验公式,并指出不同加载速度下混凝土裂纹扩展方式不同是层裂强度率效应的主要原因。加载压缩波损伤的影响、重复加载实验以及多次层裂的顺序都表明,损伤对混凝土的层裂过程有重要影响。     

混凝土层裂强度测量的新方法

提出了利用Hopkionson压杆测量混凝土层裂强度的新实验方法:用高聚物材料取代传统的金属材料透射杆,混凝土试件为细长杆,由于高聚物波阻抗比混凝土小,试件中压缩波在试件/吸收杆界面反射后形成拉伸波使试件产生层裂破坏,通过吸收杆上透射波形可以确定混凝土层裂强度。由于波在粘弹性材料中的弥散效应,吸收杆中透射波形会发生变化,但三维有限元分析表明,在利用吸收杆上透射波确定混凝土层裂强度时弥散产生的影响可以忽略。按照一维特征线理论,可以由吸收杆上的应变波形确定出混凝土材料的层裂强度。     

钢纤维混凝土层裂强度的实验研究

钢纤维能显著提高混凝土抵抗层裂破坏的能力,但纤维含量、长细比和形状对高应变率下钢纤维混凝土层裂强度的影响仍缺少系统研究.本文利用大直径Hopkinson杆对混凝土细长杆件进行冲击加载,通过放置在试件后方的空心铝合金杆上应变波形确定试件的层裂强度,系统研究了钢纤维含量、长细比和形状对钢纤维混凝土层裂强度的影响.实验结果表明钢纤维混凝土层裂强度具有应变率效应,即应变率越高层裂强度越高.钢纤维对混凝土层裂强度的增加与纤维影响系数α、纤维长细比和纤维含量三者之乘积具有线性关系.动态加载条件下的系数α高于静态,其原因主要是动态加载时纤维快速从基体拔出时动态剪应力增加.波浪形纤维混凝土的系数α比扁头型纤维高.根据实验结果建立了钢纤维混凝土层裂强度经验公式,公式预测结果能与实验结果较好吻合.     

钢纤维混凝土的层裂特征

利用大直径Hopkinson压杆作为实验设备,通过试件后面的吸收杆应变波形分析了钢纤维增强混凝土的层裂特征。实验结果表明,钢纤维混凝土的层裂强度与钢纤维含量、混凝土压缩强度以及加载速率有关,并给出了经验公式。和素混凝土相比,钢纤维混凝土具有更高的层裂强度和更好的阻止损伤演化和裂纹扩展的能力。高速摄影结果表明,钢纤维混凝土层裂时,层裂段的飞离是由于陷在层裂段中应力波的动量效应,而且在层裂段中不易出现再次层裂的现象。这些现象和相同加载条件下素混凝土的层裂破坏有明显差别,说明钢纤维可以很好地提高混凝土抗层裂能力,其结论对相关的数值模拟和防护工程设计有重要意义。     

骨料尺寸对混凝土层裂强度的影响

作为混凝土材料的主要组成部分,骨料对混凝土力学性能具有重要影响.但骨料尺寸对混凝土层裂强度的影响仍缺少研究.本文利用大直径Hopkinson杆对混凝土细长杆件进行层裂实验,通过放置在试件后方吸收杆上的波形测量混凝土层裂强度.对两种不同尺寸骨料的混凝土进行了不同冲击速度下的层裂实验研究.实验结果表明,在相同加载条件下,骨...     

预制缺陷对花岗岩层裂破坏的影响

利用50 mm杆径的霍普金森压杆装置对完整和预制缺陷花岗岩试样进行层裂破坏实验,并采用高速摄像仪记录了试件层裂破坏的全过程。通过理论分析,计算了半正弦波加载情况下完整杆可能的初始层裂位置。高速摄影结果显示,预制缺陷对初始层裂位置具有一定影响,层裂一般发生在预制缺陷处。结合PFC2D（particle flow code in two dimensions）数值模拟进一步发现,初始层裂位置受到预制缺陷和反射拉伸波上升沿的影响,反射拉伸波上升沿越长,初始层裂越可能发生在预制缺陷处,反射拉伸波上升沿越短,初始层裂位置发生在预制缺陷处的可能性则相对越小。     

一维应变条件下金属层裂的实验研究

材料的层裂是由两个相向的拉伸应力作用引起材料断裂的一种现象，是一个被普遍关注的力学问题。本文中主要对层裂研究的意义、历史和现状，一维应变条件下层裂的原因、表征、加载方式及测试技术等问题进行了综述，并讨论了影响层裂强度的几种主要因素。     

脆性材料中应力波衰减规律与层裂实验设计的数值模拟

对混凝土、岩石类脆性材料的层裂实验进行了有限元模拟,研究了应力波在此类材料中传播的衰减规律,包括两类机制:弹性波因大尺寸试样的几何弥散产生的小幅度线性衰减、与应变率相关的黏塑性波因本构关系导致的指数衰减。在此基础上,提出了包含常数项的指数型应力波峰值拟合公式。建议采用可以忽略应力波衰减影响的细长形试样进行层裂实验。混凝土类脆性材料层裂破坏模拟结果显示,有限元模拟得到的层裂片厚度与一维应力波理论得到的结果非常吻合,验证了按一维应力波理论确定层裂强度的实验方法的有效性。通过对比3种不同入射波形下层裂片的形状和净拉应力波形,发现不对称的入射波形状更有利于实验获得平直的层裂断面和较准确的层裂强度。     

初始应力状态对材料层裂破坏特性影响研究

通过对球面飞片加载条件下的应力/应变状态分析表明采用施加径向应变方法可以近似模拟球面加载的受力过程. 采用过盈配合的热装配方法对平面样品施加了径向预应变,一维平面应变气炮实验结果显示初始预应力(变)明显降低了LY12铝层裂强度. 从空洞长大基本原理出发分析了各向异性受力条件下空洞长大的路径和所消耗能量不同于各向同性应力加载.通过数值模拟对含损伤的材料本构模型进行分析,得到了材料层裂强度与其外部宏观应力场密切相关,也间接的与构型相关的结论.      

An Experimental Technique for Spalling of Concrete

The spalling strength of concrete is measured by examining the strain wave profiles in a polymer buffer bar behind the slender concrete bar specimen placed between a large diameter (Φ100 mm) Hopkinson bar and the buffer bar. The experimental results indicate that the spalling strength is related to not only the compressive strength of concrete but also the impact velocities (the loading rates). The rate effect of spalling strength mainly results from the different cracking paths in concrete under different impact velocities. However when the input compressive stress to specimen exceeds the threshold required to trigger the compressive damage, the spalling strength decreases due to the evolution and cumulation of compressive damage in concretes. The repeated impact loading experiments indicate that damage plays an important role in the spallation process of concrete. The high speed video of the spalling fracture process shows that multiple spalling fractures may occur in the scab and damage accumulation resulting from stress wave propagation in scab is the main reason for the producing of multiple spallations.     

Flattened Brazilian Disc Method for Determining the Dynamic Tensile Stress-Strain Curve of Low Strength Brittle Solids

An indirect tensile testing method is proposed to measure the full dynamic tensile stress-strain curve of low strength brittle solids. In this method, the flattened-Brazilian disc (FBD) sample is loaded by modified split Hopkinson pressure bars (SHPB) system. Low amplitude dynamic forces were measured with a pair of piezoelectric force transducers embedded in the incident bar and the transmitted bar. The evolution of tensile stress at the center of the disc sample was determined through finite element analyses using the measured stress in SHPB as inputs. In a traditional Brazilian test, a strain gauge is mounted at the center of the specimen to measure the tensile strain, which is difficult to apply for low strength brittle materials. Thus, two types of non-contact methods, the Digital Image Correlation (DIC) technique and the Laser Gap Gauge (LGG), were used to measure the strain. The DIC method was used to monitor the displacement and the strain map of the specimen during the test, from which the strain at the center of the specimen can be obtained. The accuracy of the DIC results was assessed, and the displacement and strain uncertainties of our system were 0.003 mm and 0.003, respectively. LGG was used to monitor the expansion of the disc perpendicular to the loading axis, from which the average tensile strain is deduced. The numerical simulation revealed that the tensile strain at the center of the specimen is proportional to the average tensile strain and that the ratio is not sensitive to the material elastic parameters. The strain measured through LGG was compared with that measured by the DIC method using photos captured with a synchronized high-speed camera. The result of the LGG method was 20 % smaller than that of the DIC process. However, the latter was limited by the number of frames of the high-speed camera. The feasibility of this methodology was demonstrated using a polymer-bonded explosive (PBX).     

动态拉伸试验中试样应变测试的有效性分析

为了评估将试样通过胶粘连接到加载杆的Hopkinson杆装置所获得试样应变的有效性,对四种强度刚度差异较大的纤维增强复合材料进行了动态拉伸试验。试验时,试样通过环氧胶和杆夹层粘接,试样的应变分别按照Hopkinson杆一维应力波理论计算和试样上应变计直接准确测量得到。结果证明：对小变形碳纤维复合材料,按一维应力波理论计算的应变与试样上直接所测应变值偏差超过100%;对较大变形的GFRP和KFRP层合板,两者偏差小于40%。说明采用Hopkinson杆一维应力波理论计算的试样应变不准确。为修正不准确性,一是通过大量数据分析建立按一维应力波理论计算值与直接测量应变之间的关系式,用此式可使此试验装置获得有效的试样应变;二是借助ABAQUS有限元模拟分析得出粘胶层以及试样过渡弧段的变形,用一维应力波理论计算的应变减去此变形,也可获得有效的试样应变。     

拉伸应变率对20钢层裂特性的影响

采用轻气炮加载技术和激光速度干涉(VISAR)测速技术相结合,对不同拉伸应变率条件下20钢的层裂特性进行了实验研究。通过改变飞片和样品的几何尺寸来调整拉伸应变率的大小,研究了拉伸应变率对20钢层裂强度的影响。实验的拉伸应变率的变化范围为104~106 s-1,最大拉伸应变率接近激光加载所能产生的拉伸应变率,相比激光加载,薄飞片技术容易保证一维应变条件。实验结果显示20钢的层裂特性明显依赖着拉伸应变率的大小,106 s-1条件下层裂强度比104 s-1时提高近70%。基于对数值计算结果的分析,讨论了影响层裂强度的主要外载荷因素。     

Hopkinson拉杆试验的优化与高导无氧铜拉伸本构关系的确定

为有效测量试件中的应力、应变及应变率,Hopkinson拉伸试验(TSHB)必须作优化分析,所进行的数值模拟涉及试件与杆件等连接对于实验结果的影响.为减小上升前沿、惯性效应且使试件处于一维应力及均匀应力与应变状态,优化的试件具有一定的长度与形状要求.对于高导无氧铜,由准静态试验及不同应变率与温度的优化TSHB试验得到一...