PVDF应力测试技术及其在多孔材料爆炸冲击实验中的应用

通过精确测量Hopkinson杆子弹速度,实现了对PVDF压力传感器的动态标定,测试数据线性度良好,误差不超过1.9%,得到动态灵敏度系数K=32.83 pC/N,采用500 g TNT对“钢板-泡沫铝-钢板”复合结构进行爆炸冲击加载,测量结构间应力波的传播情况。研究结果表明:电压测试信号可以较为准确地反映弹性波与塑性波的加载时间和传播速度,PVDF对弹性应力波段高频信号的动态响应灵敏准确,与理论数据的相对误差为3.5%。测得泡沫铝材料中塑性波的传播速度为590 m/s,A₁-B₁界面塑性波透射系数达到了0.53,远高于弹性波透射系数。从机理上对应力时程曲线中出现的特殊现象进行了阐述,为相关爆炸测试提供参考。     

泡沫金属的微惯性效应和动态塑性泊松比

采用三维Voronoi技术和显式有限元方法来研究闭孔和开孔两种泡沫金属的动态塑性泊松比问题和微惯性效应。细观数值模拟的结果表明:塑性泊松比随着轴向应变的增加而下降,塑性泊松比的峰值随着冲击速度的增加而下降;相对密度增加时,泡沫金属塑性泊松比增加;微惯性对平台应力的影响不大。该数值模拟结果能够解释侧向约束情况下闭孔泡沫金属的压溃应力随着加载速率的提高而下降的实验现象。     

石英玻璃杆Taylor撞击实验的数值模拟

采用离散元方法模拟石英玻璃杆Taylor撞击问题,再现了其破坏过程:在撞击端,杆以压缩失效波的形式破坏;在自由端,出现了密集的拉伸层裂破坏. 分析表明:层裂是失效波阵面应力快速下降引起的追赶卸载波,与弹性压缩前驱波在自由端反射引起的迎面卸载波相互作用的结果;随着撞击速度的增大,撞击端失效波造成的压缩破坏区域损伤程度增大,反射端层裂破坏损伤区域减小. 进一步对失效波阵面的结构变化及其波速问题进行了研究,发现失效区域随着扩张变成一段裂纹逐渐由密到稀的区段,将此区段分为高损伤区和低损伤区,研究发现由稀疏微裂纹组成的低损伤区的前端面传播速度和弹性前驱波速基本相同,为固定值;而高损伤区前端面的裂纹密度随着传播距离的增加变稀,直至过渡为低损伤区,其传播具有显著的速度衰减、端面模糊直至停止的过程. 高损伤前端面的平均速度随着撞击速度的增大而增大,并逐渐趋近于弹性波速. 最后与已有实验做了对比,发现实验中高速摄影观察到的玻璃中"失效波"阵面实际上是高损伤前端面,而稀疏的低损伤微裂纹很难捕捉.      

石英玻璃杆Taylor撞击实验的数值模拟

采用离散元方法模拟石英玻璃杆Taylor撞击问题,再现了其破坏过程:在撞击端,杆以压缩失效波的形式破坏;在自由端,出现了密集的拉伸层裂破坏.分析表明:层裂是失效波阵面应力快速下降引起的追赶卸载波,与弹性压缩前驱波在自由端反射引起的迎面卸载波相互作用的结果;随着撞击速度的增大,撞击端失效波造成的压缩破坏区域损伤程度增大,反射端层裂破坏损伤区域减小.进一步对失效波阵面的结构变化及其波速问题进行了研究,发现失效区域随着扩张变成一段裂纹逐渐由密到稀的区段,将此区段分为高损伤区和低损伤区,研究发现由稀疏微裂纹组成的低损伤区的前端面传播速度和弹性前驱波速基本相同,为固定值;而高损伤区前端面的裂纹密度随着传播距离的增加变稀,直至过渡为低损伤区,其传播具有显著的速度衰减、端面模糊直至停止的过程.高损伤前端面的平均速度随着撞击速度的增大而增大,并逐渐趋近于弹性波速.最后与已有实验做了对比,发现实验中高速摄影观察到的玻璃中"失效波"阵面实际上是高损伤前端面,而稀疏的低损伤微裂纹很难捕捉.     

多孔泡沫牺牲层的动态压溃及缓冲吸能机理研究

本文对强动载荷下多孔泡沫牺牲层的动态压溃行为及缓冲吸能机理进行了研究. 基于刚性-理想塑性-锁定(R-PP-L)及刚性-塑性硬化(R-PH)两类多孔泡沫材料本构, 建立了强动载荷下多孔泡沫牺牲层动态响应的理论分析模型, 分析了一维冲击波在多孔泡沫牺牲层中的传播规律; 利用Voronoi方法建立了多孔泡沫牺牲层的二维细观有限元模型, 获得了冲击载荷下多孔泡沫牺牲层的变形模式和动态响应曲线, 讨论了多孔泡沫材料的层间界面效应对多孔泡沫牺牲层缓冲吸能的影响. 研究结果表明, 考虑多孔泡沫材料塑性硬化影响的理论分析模型能够预测入射波在远端的反射及对多孔泡沫牺牲层的二次压缩过程和端部应力增强现象; 相比较存在界面的多孔泡沫牺牲层, 连续设计的多孔泡沫牺牲层可增强其缓冲吸能能力, 但在界面处增加设计刚性面板则能够降低界面胞元不完整对缓冲吸能的影响; 相同冲量载荷下, 端部应力峰值随冲击能量增大而增大, 而端部冲击波的反射可能是端部应力增强的主要诱因.      

球形孔洞泡沫铝力学行为的SPH分析

分别基于体心立方元胞模型和随机孔洞模型建立了泡沫铝SPH模型.采用SPH方法分析了准静态加载条件下泡沫铝的单轴压缩力学性能.最大应变达70%.SPH计算所得应力-应变曲线表现出明显的弹性、平台和压实三段.分析了泡沫铝的微观变形机理,结果表明规则模型和随机模型均呈现出明显的局部塑性变形带,其中随机泡孔模型的孔壁变形以弯曲为主,局部塑性变形带表现更为明显.本文研究结果同时还说明了采用SPH方法研究泡沫材料力学行为的可行性与适应性.     

恒定高应变率拉伸条件下泡沫金属力学性能

为了探究泡沫金属恒定应变率动态拉伸力学行为,基于3D Voronoi模型,采用双向拉伸加载方式和1.55倍等效胞孔直径高度的试件,实现了5000 s⁻¹恒定高应变率动态拉伸条件下泡沫金属力学性能测试数值模拟实验,模拟结果显示：动态拉伸过程满足应力均匀性和变形均匀性要求,且试件破坏位置合理;在恒定应变率（0.5～5000 s⁻¹）动态拉伸时,泡沫金属的破坏应变基本不受应变率的影响;当应变率不超过500 s⁻¹ 时,破坏应力受应变率影响很小,当应变率在 500～5000 s⁻¹ 时,破坏应力随着加载速率的增大而线性增大。

     

基于同步辐射原位CT的聚氨酯泡沫微观变形机理研究

为揭示聚氨酯泡沫的微观结构性能关系,本文依靠自主研发的微型材料试验机,在美国APS光源2BM线站上搭建了原位CT系统,对闭孔硬质聚氨酯泡沫在准静态压缩加载下的变形损伤行为进行了三维实时表征,分辨率可达0.87μm。通过原位CT试验获取了硬质聚氨酯泡沫的应力应变关系,以及三个变形阶段(弹性、平台、压实)的三维结构演化过程。三维图像显示,在平台段会观察到局部压缩带从样品两端向中间传播的过程,且压缩带传播速度会超过压头速度。同时,利用数字体图像相关技术精确计算了聚氨酯泡沫的三维变形场,表明压缩变形主要集中在变形带内部。通过追踪胞元变形过程并利用表面曲率场来量化胞壁变形,发现胞元坍塌主要源于包壁屈曲形成的褶皱。     

外载荷作用下水泥砂浆复合材料中的弹性波波速分析

为研究水泥基复合材料中弹性波频散特性,应用主频分别为50kHz、300kHz和1MHz三种声波探头,对钢纤维体积含量分别为0.5%、1.0%和3.0%的三种钢纤维增强水泥砂浆试件进行了单轴压缩下的弹性波测试实验。结果表明:在加载初始阶段,P波波速随着载荷增大而明显增大,但这种增大趋势逐渐减弱,并达到一个较稳定的值。随着钢纤维体积含量增加,波速有增大趋势。S波具有类似趋势,但其增幅比P波小得多。三种材料均表现出一定的频散效应。为消除材料在初始加载过程的非线性特性影响,采用了相对波速的方法,并讨论了相对波速的频散效应。结合多组份未胶结模型和Hashin-Shtrikman上限模型,应用一种无量纲理论模型,对比分析了弹性波波速频散规律。     

Hopkinson曲杆型双向拉伸加载设计探讨

为了实现对材料或结构的双向高应变率同步拉伸加载,基于曲杆中弹性应力波传播理论和Hopkinson杆原理,首先在对称的人字形曲杆结构中同时产生和传递两路压缩波,再经过接触转接头反射形成沿拉伸加载杆传播的双向拉伸波,实现对试样的双向动态拉伸。同时,为理解人字形曲杆几何构形对弹性压缩波传播的影响规律,对该加载装置进行了动力学分析和ABAQUS有限元模拟。研究发现,理想方波构形的压缩弹性波经过曲杆传播后,方波的平台段随着杆弯曲角度的增大出现前高后低的倾斜现象,同时大曲率杆引起的波形失真更严重。为获取常规方波或梯形波的平台段,也可采用定量优化的锥形撞击杆,产生前低后高的加载波,来抵消曲杆传递中的倾斜失真。最后,为了验证该加载系统的有效性,搭建了小型人字形曲杆高应变率双向拉伸装置进行试验测试。结果表明,该装置实现了脉宽约为54 μs的双向拉伸加载波良好的同步,两路波形起始点时间差可以控制在约2.5 μs以内,幅值差约6×10⁻⁶。同时对2024铝合金试样进行了双向拉伸试验,取得良好的试验效果。

     

基于正交设计方法的双锥罩结构优化设计

设计了一种双锥药型罩,借助数值模拟和实验手段研究其成形及侵彻机理,利用正交设计方法研究不同结构的射流成形性能。结果显示:该双锥罩在爆轰波作用下形成高速射流、翻转弹丸和杵体;小锥角2 显著影响射流头部速度;罩厚t及大锥角2 高度显著性影响弹丸速度;最佳设计参数为:t=0.14cm、2=50、2=135、小锥角与大锥角罩口直径比N =0.4或0.5,其射流速度分别为6613、6839m/s,弹丸速度分别为2247、2095m/s,侵彻钢靶深度分别为8.24、8.31cm,开口孔径分别为2.12、2.08cm。最终优化的双锥罩结构合理,既保证了射流速度,又大大提高了弹丸速度,射流和弹丸先后侵彻目标,达到双重毁伤的目的;在低密度装药和小炸高条件下侵彻效果较理想。     

二维平纹编织C/SiC复合材料的超高速碰撞实验

利用电炮加载聚酯薄膜飞片分别对二维平纹编织C/SiC复合材料(2D-C/SiC)和LY12硬铝材料在3.4~9.5km/s速度下进行碰撞实验。利用光纤位移干涉仪测定了靶材的自由面速度,并对高速撞击碎片颗粒进行了收集,采用超声波扫描系统无损检测等方法对2D-C/SiC材料在超高速冲击载荷作用下的力学响应进行了检测。结果表明,随着冲击能量的增大,2D-C/SiC材料板自由面速度逐渐升高,损伤局部且面积逐渐增大,碎片云团作用区域逐渐变大。与铝板相比,2D-C/SiC材料碎片云团整体能量较小、作用区域较大、能量面密度较低,是飞行器防护结构设计中一种比较理想的防护材料。     

弹体高过载硬回收测量技术的实验探讨

为提供引信服役的力学参数,达到引战配合目的,弹体过载(减速度)的测量十分必要。采用硬回收法测量了高速侵彻混凝土的先进钻地弹缩比弹过载时间历程。实验弹最大直径48mm,计及过载测量装置,弹体质量约1.8kg,撞击速度1142m/s。过载测试系统模块化和集成化设计,包括过载测量模块、电路模块、信号存储模块、电源模块和外部计算机模块,传感器为压阻式。量程在(-8~21)104g,可测量过载幅值约20104g。     

Filtered Rayleigh scattering velocimetry—accuracy investigation in a M=2.2 axisymmetric jet

The present study is a quantitative evaluation of filtered Rayleigh scattering (FRS) axial velocity measurements in a M=2.2 axisymmetric jet. The FRS setup used a frequency-doubled, injection-seeded Nd:YAG laser, an iodine vapor cell and two intensified CCD cameras. The goal was to evaluate the FRS accuracy in a practical flow case and assess the relative uncertainty contributions of different sources. Despite the use of dried air and co-flow, water condensation produced uneven seeding of the flow, making particle scattering dominate over molecular scattering. The time-averaged velocity measurements showed fair agreement between the FRS and pressure probe data acquired in the same setup with deviations of up to 50 m/s. The analysis of uncertainty sources showed that laser drift dominated with an estimated contribution of 35 m/s. Several other sources, shot noise, iodine cell calibration, image misalignment and non-monochromatic scattered light were found to contribute O(10 m/s) each, bringing the total uncertainty estimate to ±50 m/s, in agreement with the experimental data.     

火场条件下相邻汽油罐油蒸汽泄漏及爆炸规律

油库发生火灾时,临近的油罐内汽油受热形成油蒸汽从呼吸阀泄出,泄漏的油蒸汽与空气混合易点燃,易引起燃烧爆炸事故。本文中以容积为5 000 m^3(22 m×13 m)的汽油罐泄漏油蒸汽为研究对象,以数值模拟为研究方法,研究了汽油蒸汽泄漏及爆炸规律。研究发现:在距地面高1 m的平面上,当无风且呼吸阀泄漏油蒸汽速率为0.25 m/s时,距该罐中心50 m以外就可视作安全区域;当呼吸阀泄漏的油蒸汽速率为0.25 m/s时,风速达到5.0 m/s及以上,不易积聚成爆炸油蒸汽;当无风时,呼吸阀泄漏油蒸汽的速率增大1个量级,油蒸汽积聚达到爆炸下限1/2所需时间缩短2个量级;当风速为3.0 m/s、呼吸阀泄漏油蒸汽速率为0.25 m/s、泄漏时间为200 s、着火点距罐壁1 m时,距点火源距离增大1个量级,超压峰值下降1~2个量级。     

火箭橇加载试验技术研究

根据空气动力学和火箭发动机的相关理论,针对600 m长无缝滑车轨道,对搭载50 kg有效载荷、速度为45 m/s和搭载100 kg有效载荷、速度为200 m/s的两种双轨滑车进行了理论估算和试验验证。试验中,滑车的速度测试采用磁感应法、激光法和高速摄影法三种方法。试验结果表明,三种测试方法获得的滑车速度值一致,测试结果与理论计算值符合得较好。     

The modified Casson＇s equation and its application to pipe flows of shear-thickening fluid

A few additional data from our previous experiments were plotted to emphasize the shear-thickening behavior of deoxy sickle erythrocyte (SS) suspension. A constitutive equation (named as FX equation) was developed and applied to a cylindrical pipe flow of a shear-thickening fluid. A blunt velocity profile and its volume flow rate were calculated. The flow was non-viscous (potential) in the central part of the pipe (i.e. the central core or the central plug-flow), and became more and more viscous towards the wall of the pipe after a specific radial distance, which was determined by a critical shear rate of (named as Fungs shear rate). Furthermore, combining the FX equation with the original Cassons equation, the author obtained a modified Cassons equation by introducing .The English text was polished by Yunming Chen.     

钨合金/黄铜复合结构靶抗高速破片侵彻的实验研究

在二级轻气炮上对新设计的一种钨合金/黄铜的有间隙的复合结构靶板开展了抗侵彻实验研究。靶板材料为多层结构,层与层之间有10mm到50mm的间隙。为了得到最优的结构设计参数,在二级轻气炮上对这种结构的靶板进行了弹丸质量为3g～20g、弹丸速度为2000m/s～4100m/s的抗侵彻实验研究。研究结果表明,高密度、高硬度的93W合金板和H62黄铜是防护结构最佳选材之一;用它们的两组合设计的四层复合结构靶能抵抗质量约20g,速度约2000m/s的钢质破片的侵彻。这一研究结果为选择合理的防护结构提供实验支持。     

On Ericksen’s Theorem for Unconstrained Hyperelastic Materials

After reviewing the proof of Ericksens theorem for the set of unconstrained, homogeneous, isotropic, hyperelastic materials, Ericksens result is sharpened to cover the subset of materials that possess a natural configuration and satisfy the empirical inequalities. Mathematics Subject Classifications (2000) 74B20.     

Bonding of birefringent coatings to composite flat-belt-drive materials

The bonding of birefringent coatings to composite flat-belt-drive materials is described. The belts were subsequently subjected to tension tests without apparent disassociation of the coating from the belt. Additionally, lengths of photoelastic coating bonded to endless flat belts run at speeds approaching 50 m/s exhibited no evidence of disassociation.