剪切增稠液改性软织物的单纱拉出测试研究

剪切增稠液浸渍柔性织物是防弹织物进行表面改性的潜在方法,利用剪切增稠液剪切率与粘度的极端非线性关系可显著提高纱线拔出力与拔出能量,从而增加柔性织物的抗冲击性能。本文以SiO_2为分散相、乙二醇为分散剂配置剪切增稠液,来浸渍Kevlar49平纹织物进行表面改性。对坯布与浸渍布进行纱线拔出测试,其载荷-位移曲线呈现相似趋势,均分为静摩擦与动摩擦两个阶段;与坯布的极限拔出载荷出现在静摩擦阶段不同,浸渍布的极限拔出载荷出现在动摩擦阶段,且明显大于坯布。另外,浸渍布的纱线拔出能量和面内剪切变形均有明显的提升,且与剪切增稠液的质量分数和纱线拉拔速率相关。     

剪切增稠液体液舱侵彻实验

为研究剪切增稠液体(shear-thickening fluid, STF)液舱对弹体的防护性能,制备特定规格剪切增稠液体,并开展弹体侵彻剪切增稠液舱实验研究。实验中采用高速相机记录液舱侵彻过程中空泡的演化情况,并测试得到了弹体的剩余弹速以及前后靶板变形数据。实验结果显示,剪切增稠液体可有效抑制液舱侵彻过程中空泡的增长,从而降低液舱结构的损伤程度。结合空泡扩展理论模型,并考虑液体密度以及黏度变化对空泡增长的影响,验证了剪切增稠液体在高速冲击下产生的局部密度增大以及固化现象是抑制空泡扩展的主要原因。此外,剪切增稠液体对弹体速度的衰减作用明显,且相同初始弹速下,剪切增稠液体液舱前后靶板变形明显小于水体液舱。将剪切增稠液体填充于舰船液舱防护结构,可显著提高液舱结构的防护性能。     

剪切增稠液阻尼器隔冲性能的实验研究

剪切增稠液在外载作用下粘度会迅速增大,基于剪切增稠液研制而成的阻尼器具有阻尼力大、响应快速、无能耗等优点,在阻尼耗能和冲击防护设备中具有重要的应用前景。本文使用振动台模拟半正弦脉冲信号,对集成剪切增稠液阻尼器的单自由度系统在不同冲击条件下的响应加速度和相对位移进行了研究,比较了冲击脉冲幅值和频率比对冲击隔离的影响,讨论了不同冲击条件下的系统阻尼比,得到了剪切增稠液阻尼器安装方式对其冲击隔离性能的影响。结果显示:冲击脉冲幅值对响应加速度幅值比影响不大;加速度幅值比随冲击脉冲频率比增大而迅速减小,相对位移幅值随频率比增大先减小再略微增大,然后继续减小;当剪切增稠液阻尼器横向安装时,其响应加速度幅值比更小,当安装夹角增大时,相对位移随之减小,系统阻尼比迅速增大。研究表明,剪切增稠液阻尼器能够提高单自由系统的冲击隔离性能。     

冲击扰动下泥页岩块剪切蠕变损伤特性研究

矿体爆破是大多数露天矿山开采作业中的必要环节,然而持续爆破作业产生的冲击扰动作用会降低露天边坡的长期稳定性,甚至促使滑坡灾害的发生。为研究冲击扰动效应对边坡岩体蠕变特性的影响,以露天石灰石矿山二叠系软弱夹层中的炭质泥页岩为研究对象,利用自主研发的岩石冲击-剪切蠕变试验系统开展了不同冲击能量扰动下的剪切蠕变试验。试验结果表明：（1）冲击扰动对软岩剪切蠕变破坏具有明显的促进作用,随着冲击扰动能量的增加,软岩进入加速蠕变历时缩短,蠕变破坏总时长与剪切蠕变破坏强度亦随之降低。（2）冲击能量可改变泥页岩剪切破坏面的发育特征,冲击扰动能量越大,剪切面裂隙发育越充分且岩样结构形态越破碎。（3）岩样总体变形量与冲击能量呈正相关关系,随着冲击能量的增加,其造成的总变形中塑性永久变形占比越大而弹性变形占比约小,当冲击能量为7.09J时两次冲击后的塑形永久变形占比均不小于73.1%。根据试验结果,引入基于冲击能量的损伤因子D,建立了考虑冲击扰动效应的软岩剪切蠕变损伤模型。采用BFGS算法和1stOpt通用全局优化数学软件进行了模型参数辨识,采用损伤模型对试验结果进行拟合后发现,所建立模型能够较好地描述冲击扰动下泥页岩剪切蠕变变形的全过程,可为爆破扰动效应下的矿山边坡长期稳定性研究提供一定的理论基础。     

织物顶出测试中纱线应力传递模型的拉曼研究

弹头侵彻织物过程中的载荷传递是冲击能量耗散的重要途径,有必要从细观尺度上研究纱线上的应力传递行为。本文使用微拉曼光谱法测量了织物离面顶出测试中的纱线应力分布,建立了相应的纱线应力传递模型。针对周边固支的Kevlar 49芳纶纤维平纹织物受中心加载实验,拉曼测试显示出织物存在十字形的高应力分布,主纱是载荷传递的主要路径,辅纱是传递主纱载荷的次要路径,理论模型预测的纱线应力分布符合实验测量趋势。上述工作有利于进一步探讨柔性防弹织物的能量吸收机制。     

纯铁在球/面接触下的冲击微动磨损行为研究

在自制的新型试验机上,以纯铁为考察对象开展了球/平面接触模式下的冲击微动磨损试验.在改变冲击能量、冲击质量的情况下,研究了材料的冲击力学响应和磨损机制.结果表明:在增大冲击能量的条件下,试样受到的冲击力和能量吸收率相应增加,磨损体积、磨损率也随之提高.冲击动能相同时,增大冲击质量(降低冲击速度),冲击力峰值和能量吸收率进一步提高,磨损程度减轻.纯铁的冲击磨损机制主要表现为剥层磨损,且磨痕区域发生了氧化行为,越靠近边缘,氧化程度越高.     

液滴撞击结构液靶成坑特点分析

本文介绍了液滴对多层液靶的撞击实验研究,实验中液体从不同高度滴落,同时改变液靶的液层厚度,通过高速摄影机记录撞击成坑的过程,将胶片扫描数据输入计算机,并通过图像软件处理获得最终成坑数据。由实验结果分析了液滴撞击多层液靶成坑的特点,在一定的撞击能量情况下,撞击成坑现象发生于第一层液靶内,界面能在多层液靶不互溶时成为影响成坑状态的一个重要参数。根据能量守恒定律,并通过对撞击能量转化过程的分析,得出了撞击成坑最大坑径公式。     

圆柱形弹性贮液容器基频近似计算法

在工业和工程领域中,广泛地应用圆柱形弹性薄壁贮液容器。在冲击或地震地面运动激励下,此种容器的变形,严格地说就遵循薄壳结构动力学规律。考虑到在水平地震作用下短圆柱形容器的变形,剪切效应起主导作用,因而可用剪切梁变形理论来近似地代替。对于盛有液体的贮液容器,因为激励引起的振动是耦联的,即液体中产生的液动压力与结构的变形有关,而结构的变形又受到液动压力的很大影响。欲寻求此种耦联体系的动力响应,必须对其动力特性进行分析。为此,本文根据Fischer“冲击质量”理论,提出了对圆柱形弹性贮液容器基频的近似计算方法。此方法概念清晰,计算简便,很便于工程上应用。     

高温熔融锡液遇水爆炸机理的实验研究

为研究低熔点金属锡遇水爆炸机理及能量转化过程,搭建了一套由高频熔融炉、高速摄像机和信号采集仪等组成的可视化实验平台,监测锡与水的质量比为5、10、15和20时熔融锡液与水接触反应过程,并选取中高熔点金属铝进行相同条件下的对比实验。同时,结合能量守恒定律、爆炸冲击理论建立数学计算模型,用于定量分析爆炸冲击波能量。结果表明:质量比为5时,熔融锡液与水反应触发2次蒸汽爆炸;由相同条件下熔融铝液遇水爆炸实验,反应剧烈程度和持续时间与金属碎化程度和金属热扩散率有关。此外,高温熔融锡液遇水爆炸过程中,0.45%～10.91%热能转化为冲击波能量。随着质量比的增加,冲击波能量转化率呈现先增后减趋势;当质量比为10时,冲击波能量转化率最大。由锡/铝遇水爆炸实验的冲击波压力曲线可知,当质量比小于12.69时,锡液遇水爆炸实验的冲击波能量转化率高于铝液遇水爆炸实验的冲击波能量转化率。     

球形弹丸高速冲击IN718合金板的变形与破坏模式

为研究IN718镍基高温合金在高速冲击作用下的抗侵彻能力,采用直径为5 mm的304不锈钢球形弹丸,利用二级轻气炮试验装置对IN718靶板进行了一系列弹道冲击试验。通过高速摄像机进行拍摄,弹丸的入射速度范围为548.2～1 067.0 m/s。对弹丸的剩余速度进行了测量和分析,并对弹道极限速度进行了验证,观察了靶板的变形和破坏模式以及弹孔直径。结果表明：在试验冲击范围之内,随着冲击速度的升高,靶板的变形模式由撕裂破坏到剪切破坏转变,靶板的穿甲破坏模式与冲击速度密切相关;靶板能量吸收效率随弹丸初始动能的增加而降低,且趋于常值0.7;靶板变形挠度随着冲击速度的升高呈减小趋势,且最大变形挠度出现在弹道极限附近;靶板正面和背面所形成的弹孔直径均随着冲击速度的升高而增大,且背面所形成的弹孔直径大于前面所形成的弹孔直径。     

水下爆炸冲击凹陷液面诱导射流研究

利用液滴坠落冲击直管中水平液面产生半球形凹陷,并以此凹陷液面作为初始界面进行水下爆炸冲击诱导射流的实验研究。以高速摄影为主要手段,结合Fluent数值模拟,揭示了凹陷液面在水下爆炸冲击作用下的变形过程和机理。实验结果表明,随着爆炸的发生,液面凹陷中心会汇聚形成纤细光滑的射流,同时在管壁附近会产生附加环状射流,这明显区别于冲击直管中水平液面诱导射流的现象。进一步研究发现,中心射流的产生主要源于液面凹陷对爆炸能量的汇聚作用,而附加射流的产生受到液面初始形状和管壁剪切阻力的共同影响,二者经历短暂的加速过程之后均以一个近似恒定的速度向上抬升。通过考察能量对射流的影响发现,中心射流与附加射流的速度均与充电电压(爆炸能量的1/2次方)呈线性正相关;中心射流形态特征基本不变,附加射流则随能量的变化呈现不同的形态。     

刚性钝头弹体正冲击GH4169间隔靶的消耗功分析

在380～680 m/s的弹体初速范围内,开展了直径8 mm钨球正冲击GH4169间隔靶实验,测得弹体初速、余速及靶板形貌,明显看出第1层板挠度较小,主要表现为剪切破坏,并产生了杯状挤凿块,第3层板挠度较大,主要表现为拉伸破坏。提出了间隔靶消耗功计算公式,结合剪切冲塞模型和建立的挤凿块速度模型计算了刚性钝头弹体冲击间隔靶中各层板的消耗功。结果表明,第2～3层板的单位面密度消耗功远高于相同面密度的第1层板,这与各层板的变形和失效形式密切相关。消耗功分析可用于定量描述间隔靶中各层板的抗侵彻性能。     

建筑织物膜材双轴剪切试验与分析

为了研究建筑织物膜材的剪切力学性能,提出一种新的剪切测试方法。采用中心区域宽度和四臂长度均为16cm的十字形试件,试件纱线的经纬向与加载方向呈45°角。根据膜材变形和应力关系,推导了剪应力和剪应变的计算方法。定义了使试件中心区域产生三个循环剪应力场的加载谱,循环产生正负交替的剪切应力。试验采用表面抛光的(Polyvinylidene Fluoride,聚偏氟乙烯)涂层膜材,测量x、y两个方向的应力和应变,通过计算得到剪切应力应变曲线,并对试验结果进行分析。结果表明,新的剪切测试方法能够反映建筑织物膜材剪切力学性能。最后通过有限元方法模拟材料受剪状态下的应力和应变,与试验得到的应力值和应变值相近。     

金属梁在预应力下的冲击响应

工程结构在使用过程中，大部分构件处于预应力状态。为了理清预应力对金属梁在冲击载荷作用下响应的影响机理，对不同轴向预应力条件和不同冲击强度下金属梁的塑性变形规律进行了研究。通过自主设计的预应力加载装置和落锤试验机，实现对金属梁的预应力控制和冲击加载；借助商用软件建立数值模型，对相关工况进行模拟。数值模拟结果与试验结果有较好的一致性。通过对梁的剩余挠度进行对比发现，压预应力状态下的梁受冲击载荷作用所产生的中点剩余挠度会比无预应力时更大；而拉预应力状态下的梁，挠度的变化量与预应力之间没有较一致的规律。从能量角度进行分析发现，梁的塑性变形能来自外加动能和初始内能，外加动能的能量比越高，梁的能量吸收率就越高，且在低能量比时，压预应力下的能量吸收率相对较高，拉预应力下的相对较低；高能量比时，预应力对能量吸收率几乎无影响。压预应力下，梁的极限弯矩增大，长度缩小，增大了的塑性变形能分布在长度缩小了的梁内，必然会导致更大的剩余挠度；拉预应力下，梁的极限弯矩减小，长度增大，增大了的塑性变形能分布在长度增大了的梁内，剩余挠度则没有显而易见的规律。这在一定程度上解释了预应力对冲击载荷作用下金属梁变形的影响机理。     

剪切增稠液的力学性能与机理

剪切增稠液（shear thickening fluids,STFs）是一种将纳米或者微米尺度的颗粒分散到极性介质中,形成的浓缩颗粒悬浮液。由于在外力的作用下,其力学性能会表现出快速、显著、可逆的变化,并且具有优异的能量吸收能力,因此在减振吸振、个体防护、抗冲击等领域有着重要的应用前景。本文首先介绍了高性能STF的研制,分析了STF在不同外加载荷下的力学行为;然后从实验和理论等方面讨论了STF机理的研究现状;最后总结了关于STF的实际应用并对这类材料的发展进行展望。     

双相高强钢FeNiAlC的动态剪切行为及微结构机理

绝热剪切带是金属材料在高应变率载荷下常见的一种失效模式。利用霍普金森压杆装置,对双相钢Fe-24.86Ni-5.8Al-0.38C不同微结构的帽形样品施加冲击载荷,研究它的动态剪切变形行为及微结构机理。先通过对固熔处理得到的粗晶态样品进行大应变冷轧获得冷轧态样品,再使用透射电子显微镜和扫描电子显微镜表征两种样品冲击前后微结构的变化差异。结果表明,双相钢FeNiAlC拥有较优异的动态剪切性能,剪切强度达1.3 GPa,均匀剪切应变达1.5。变形前,材料由奥氏体相和马氏体相构成,马氏体体积分数约为20%。变形过程由位错滑移和孪生变形主导,但因应变速率较高致使马氏体相变被抑制。不同微结构样品内均形成绝热剪切带,带内发生动态再结晶,形成超细晶粒,平均晶粒尺寸约300 nm,且剪切带内不发生相变;冷轧态剪切带宽度的实验值（14.6 μm）与理论计算值(12.3 μm)较好吻合,而粗晶态剪切带宽度的实验值（14.6 μm）与理论计算值（30 μm）相差甚远,初步分析可能是因为粗晶态样品应变较大基本不满足完全绝热的理论条件。在变形过程中,粗晶态因塑性变形做功产生的绝热温升高达720 K,而冷轧态的只有190 K。通过实验结果与热塑模型分析,得出绝热温升不是形成绝热剪切带的唯一因素,而应考虑材料的微观结构和局部化变形等的共同影响。     

冲击作用下夹层充液薄壁半球壳组合结构的动力响应

采用DHR9401作为加载工具对充液夹层构形的薄壁半球壳组合结构受质量块冲击的动力响应进 行了实验研究。给出了冲击力和内压力时程曲线,结合实验变形过程的观察可以看出,冲击引起半球壳的动 力响应可分为4个阶段:冲击点处的扁平化;壳面凹陷形成塑性铰并向外扩张;冲头对塑性棱区的压平以及弹 性恢复。实验结果表明,双层充液球壳在受到载荷冲击时,由于液体作用使外壳受到的局部冲击转化成面载 荷均匀加载在内壳上,使之具有更大的承载能力。采用夹层充液组合构形的半球壳组合结构的耐撞性有了很 大的提高,在一定的冲击能量下,内部的球壳变形量很小,可以提供有效的安全防护空间。     

电弧增材制造不锈钢动态加载绝热剪切带内组织研究

绝热剪切失效是增材制造金属材料在高应变率载荷下的重要失效方式。使用电火花从冷金属过渡电弧增材技术制备的316L不锈钢单壁上沿着制造方向和扫描方向割出动态加载圆柱试样(尺寸为?4 mm×4 mm)。采用分离式霍普金森杆对增材制造316L试样在应变率4 000到6 000 s^-1下加载至绝热剪切状态,研究了其动态剪切变形行为特别是剪切带内微观组织特征结构。不同应变率动态加载下,电弧增材制造316L不锈钢的动态应力首先由于应变硬化而增大,随后绝热剪切热软化与应变硬化的平衡导致了动态变形最后阶段的应力平台效应。绝热剪切带中亚晶经历了动态再结晶过程,具有与基体完全不同的等轴晶形貌,晶粒尺寸大约在200～300 nm。动态剪切复杂热力过程导致剪切带内的亚晶形成了双重织构,既有与基体一致的沿着压缩方向的<110>丝织构,也有与宏观剪切方向相关的晶体学织构,即(111)沿着宏观剪切面,<112>沿着宏观剪切方向。不同剪切带的等轴亚晶都有大量残余Σ3 60°晶界,同时存在与基体相同的孪生织构,可以证明孪生再结晶是绝热剪切带内亚晶主要的动态再结晶机制。宏观绝热...     

钢制弹丸冲击混凝土时绝热剪切局部化的数值计算

为描述弹丸材料冲击混凝土时的绝热剪切过程,根据冲击条件下绝热剪切局部化的一维分析结果,给出冲击混凝土弹丸材料的绝热剪切局部化模型并引入到数值分析中。为了既能描述混凝土的非线性变形及断裂特性又要保持分析过程中材料界面的清晰,混凝土划分成光滑粒子并使用无网格光滑粒子动力学算法,而弹体划分成有限元网格并使用有限元算法。结果显示,利用本文中给出的绝热剪切局部化模型计算得到的弹丸内绝热剪切局部化区域与实验中的破坏位置一致。     

液滴冲击液面过程中变形特征的实验研究

用高速相机拍摄了液滴以不同速度冲击液面的运动过程,测量了冲击过程中典型时刻液坑、中心液柱、次生液滴和次生液柱的几何尺寸,对这些几何尺寸的最大值与韦伯数(We)的关系进行了回归分析,结果表明:空间上,液坑的最大垂直深度、液坑的最大水平长度、中心液柱的最大高度、次生液滴等效直径和次生液柱的最大高度随We数增加呈线性增加;次生液滴等效直径是初始液滴等效直径的1.2～2倍;当200We220时,次生液滴冲击液面没有次生液柱生成,当360We713时,有次生液柱形成,220≤We≤360为过渡区;时间上,We数越大,运动过程中液坑的大小和中心液柱的高度变化越快,液坑和中心液柱持续时间越长,中心液柱达到最大高度的时刻以及破碎生成次生液滴的时刻也越晚。