套管式冲击拉伸实验装置的研制

介绍了几种常见的冲击拉伸实验装置,并做了简要的评述.提出了一种改进后的套管式冲击拉伸实验装置,该装置直接产生拉伸脉冲,消除了反射式冲击拉伸实验装置中两种干扰信号的影响,得到了远比反射式冲击拉伸实验更为理想的透射波形.运用改进后的套管式冲击拉伸试验装置对几种板材材料进行了动态拉伸实验,得到了这几种板材在600/s,1200/s,1800/s应变率下的应力应变曲线,与静态应力应变曲线相比较,反映了这几种板材具有明显的应变率效应.根据实验结果中动态与静态应力应变曲线的一致性,分析了这种套管式冲击拉伸实验装置的优越性与有效性,它能更好地反映材料的动态力学性能.     

聚碳酸酯的高应变率拉伸实验

为了解应变率对聚碳酸酯拉伸力学行为的影响,在旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸试验机和MTS809材料试验机上,对聚碳酸酯棒材进行了高应变率和准静态加载下的单向拉伸试验,应变率分别为380 s-1、800 s-1、1750 s-1和0.001 s-1、0.05 s-1,得到了聚碳酸酯的拉伸应力应变曲线.试验结果表明:聚碳酸酯的拉伸力学性能具有明显的应变率相关性,其屈服应力和失稳应变随应变率的增加而增大.依据试验结果,采用朱王唐粘弹性本构模型来描述聚碳酸酯的非线性粘弹性拉伸力学行为.模型结果显示,在本文实施的应变率范围内,朱王唐模型可以较好地表征聚碳酸酯的拉伸应力应变响应.     

单向KFRP的应变率相关的本构方程

在旋转盘式杆杆型冲击拉伸试验装置上 ,对单向Kevlar 49纤维增强酚醛树脂复合材料(KFRP)进行了冲击拉伸试验 ,得到了应变率为 15 0 ,40 0和 15 0 0s-1下的单向KFRP的完整拉伸应力应变曲线 ;结果表明 ,单向KFRP的力学性能是应变率相关的。通过改进复合丝束模型 ,建立了计及应变率效应的单向KFRP的一维损伤宏观本构方程。     

ARALL 材料拉伸力学性能的试验研究

利用自行研制的旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸试验装置对ＡＲＡＬＬ材料以及施加预应力的ＡＲＡＬＬ材料进行了３个应变率（２００、５００、１３００ｓ－１）的冲击拉伸试验，得到了两种材料在不同应变率下的完整的应力应变曲线。结果表明ＡＲＡＬＬ材料在高速加载条件下的变形可以分为弹性变形、塑性变形和材料失稳后的残余变形三个部分，每个部分都有不同的变形机理。结果还表明，随着应变率的增加两种材料的屈服应力、失稳应力以及失稳应变均相应增加，表现出明显的应变率强化和动态韧性现象。最后根据材料在不同应变率下的试验结果，建立了ＡＲＡＬＬ材料计及应变率影响的三段线性本构模型。     

杆杆型冲击拉伸试验装置的二维轴对称弹塑性有限元分析

对带有哑铃状圆柱形试件的杆杆型冲击拉伸试验装置,建立了含有多个物理和几何间断面的二维轴对称弹塑性有限元模型,采用动态增量非线性有限元程序ＡＤＩ－ＮＡ,进行了数值模拟模拟分析,揭示了应力波在试验系统中的传播规律,在弹性框架内初步论证了杆杆型冲击拉伸试验装置测试原理的有效性。     

考虑应力三轴度影响的30CrMnSiNi2A钢韧性断裂研究

30CrMnSiNi2A钢是一种在军工领域应用广泛的低合金高强度钢。针对结构完整性的评估问题,采用试验和数值计算结合的方法研究了30CrMnSiNi2A钢的韧性断裂特性。对光滑圆棒试件在不同温度下进行准静态和动态拉伸试验,并通过有限元迭代方法标定了材料的Johnson-Cook动态本构模型参数,分析了温度和应变率对30CrMnSiNi2A钢断裂行为的影响。开展了缺口圆棒拉伸、缺口平板剪切和圆柱压缩试验,计算了各试件对应的平均应力三轴度和断裂应变,给出了应力三轴度在?1/3～1.5区间内的断裂应变变化曲线,分别确定了Johnson-Cook和Bao-Wierzbicki失效模型参数。研究表明,30CrMnSiNi2A钢的断裂应变与应力状态密切相关,且在不同的应力三轴度区间内曲线单调性差异较大,Bao-Wierzbicki失效模型较好地描述了这种钢在不同应力状态下的断裂特性。     

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...     

新型汽车结构胶剪切实验研究

利用数字图像相关方法(DICM),分别测定了准静态单向剪切拉伸试验条件下,新型汽车结构胶粘接试件和传统点焊连接试件粘接部分的剪切力学性能。实验采用了非接触测量物体应变的方法,运用CCD及其计算机图像处理系统,实时获取变形前后试件表面图像。利用数字相关软件对变形前后的图像进行分析,从而获得试件该时刻的应变。最后确定了试件拉伸过程中的力-位移曲线及应力-应变关系曲线。测试结果及分析表明:采用新型结构胶粘接试件的力学性能与点焊结构相比有明显的优势。这为该结构胶进一步改进提供了一定的实验依据。测试中的数字图像相关法是非接触测量物体应变的方法,在实际应用中有很大的意义。     

一种聚酯帘线单向拉伸试验的新方法

提出了一种适合聚酯帘线单向拉伸试验的新方法(简称减法试验法).该方法首先进行不同长度试件的单向拉伸试验;然后对获得的任意两个差别较大的载荷-位移曲线实施位移减法,从而得到消除了端部效应的新的载荷-位移曲线(其对应试件的长度为原两试件长度之差);进而得到相关的力学参数.本文的试验和相关分析表明,直接的单向拉伸试验存在明显的端部效应,必须予以消除,且在同一载荷下端部效应与试件的长度无关;同时又表明本文所提出的减法试验法是有效的,能够获得聚酯帘线较真实可靠的应力应变曲线和相关力学参数.     

PMMA膨胀环动态拉伸碎裂实验研究

在强动载作用下,脆性材料的碎裂问题是一个重要的研究课题,而脆性材料在冲击拉伸载荷下的力学行为的实验研究相对较匮乏.提出了一种动态拉伸断(碎)裂的液压膨胀环实验技术,可用于准脆性/脆性材料的动态拉伸.利用该技术对有机玻璃(PMMA)圆环试件进行了不同膨胀速度下的动态碎裂实验研究.从回收碎片的断口形貌和碎片内部残余裂纹观察可知试件的破碎由环向拉伸应力造成,碎片断口处发出的稀疏波会将周围的拉伸应力卸载,从而抑制其他裂纹的进一步发展.利用超高速相机记录了试件的膨胀碎裂过程,利用DISAR激光速度干涉仪获得了试件外表面粒子的径向膨胀速度历史,通过试件上的应变片获得了试件的应变历史和断裂应变.实验结果表明:在拉伸应变率150～500 s~(-1)范围,材料的动态断裂应变低于准静态加载下的断裂应变,体现出"动脆"现象;随着加载应变率的提高,PMMA材料的碎片尺寸减小;无量纲化的PMMA圆环的平均碎片尺寸介于韧性碎裂模型和脆性碎裂模型的预测数值之间,反映出材料的准脆性特性.     

A complete three-dimensional finite element analysis of the bar-bar tensile impact apparatus

A complete three-dimensional FEM model of the Bar-Bar Tensile Impact Apparatus (BTIA) is constructed, in which the slots in the bars and the glue layers between the bars and the flat-shaped specimen are included. For elastic-plastic specimen material, Ly12cz aluminum alloy, the process of tensile impact experiments is simulated and the matching relation between the specimen geometry and the bars is investigated. Based on the FEM analysis, an iterative method is proposed to design a reasonable specimen geometry for obtaining the true dynamic stress-strain relation for a certain specimen material. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (19272061)     

Numerically predicting ductile material behavior from tensile specimen response

Direct measurement of uniaxial true stress-strain behavior for ductile engineering materials is not possible when necking occurs in standard tensile test specimens. A procedure is presented which converts standard specimen test data to a true stress-strain relation postulated as valid for higher strains. A series of finite element test specimen simulations demonstrates the correction algorithm rationale for HY-100 steel. Predicted specimen behavior was in close agreement with reported experimental data.The combined influence of specimen boundary conditions and material stress-strain behavior is discussed. Results suggest that specimen behavior may be modeled correctly without the use of auxiliary conditions, such as geometric imperfections or material instability, to trigger specimen necking.     

基于Hopkinson压杆的M型试样动态拉伸实验方法研究

采用传统分离式Hopkinson压杆进行M型试样的动态拉伸实验,可避免试样与杆的连接问题,但该方法并未得到发展和验证。本文中,采用有限元数值分析和实验方法,对M型试样动态拉伸实验进行分析和改进。结果表明:（1）改进的封闭M型试样,可以增强试样整体刚度,有效减少试样畸变引起的附加弯矩对拉伸标段的影响,方便通过Hopkinson压杆加载实现一维拉伸变形;（2）采用试样刚度系数修正法,可消除M型试样整体结构的弹性变形对测试的影响,精确获得试样拉伸标段的塑性应变;（3）高加载率下,建议采用波形整器加载,可显著减少试样结构引起的载荷震荡现象、改善两端的应力平衡,获得准确的动态拉伸应力应变曲线,实现5 900 s?1甚至更高应变率下的动态拉伸实验。研究方法可为M型试样拉伸实验设计和应用提供参考。     

基于ANN-GA协同寻优的动态拉伸试样尺寸优化方法

材料动态拉伸力学性能测试中,动态拉伸试样的几何尺寸对测试结果的准确性与有效性有着较大影响。为对动态拉伸试样的结构进行优化设计,以使其在动态拉伸过程中更好地满足一维应力与变形均匀等基本假设。首先,建立了量化的试样测量准确度指标,即应力平衡达到时间、变形均匀度、非轴向应力相对水平、过渡段相对变形。然后,对试样结构参数进行正交试验设计,通过数值模拟的方法得到了关于试样尺寸与测量准确度指标的正交试验数据库,并对正交试验数据库进行多目标正交试验矩阵分析,得到了试样结构参数对各测量准确度指标影响的主次顺序和规律。最后,以正交试验数据库为训练集,采用人工神经网络（artificial neural network, ANN）协同遗传算法（genetic algorithm, GA）的全局寻优方法对试样的结构尺寸进行优化设计,得到了试样的最优结构尺寸,并对最优尺寸的有效性进行了验证。结果表明,优化后的试样结构在材料动态拉伸力学性能测试精度上的表现明显得以提升。因此,采用ANN-GA协同优化的方法对动态拉伸试样的结构进行优化具有可行性和有效性。     

A technique for rapid two-stage dynamic tensile loading of polymers

A method for rapid two-stage dynamic-dynamic tensile loading of polymers, based on a tensile Hopkinson bar apparatus, is established. In this technique, the initial incident wave and its reflection are used to load a specimen in quick succession. Consequently, the specimen is stressed, momentarily unloaded, then reloaded until fracture. By adopting appropriate assumptions, a procedure to obtain the associated stress-strain curves for such double-stage loading is formulated. These assumptions are examined experimentally and analytically to substantiate their validity. To verify the proposed approach, a relatively rate-insensitive material, LEXAN 141 polycarbonate, was subjected to two-stage dynamic tension. The stress-strain curves obtained via the procedure established were compared with results from static loading. Favorable correlation between the two indicates that the proposed technique can be applied to the study of load history effects on the dynamic behavior of polymeric materials.     

Novel Technique for Static and Dynamic Shear Testing of Ti6Al4V Sheet

Few shear test techniques exist that cover the range of strain rates from static to dynamic. In this work, a novel specimen geometry is presented that can be used for the characterisation of the shear behaviour of sheet metals over a wide range of strain rates using traditional tensile test devices. The main objectives during the development of the shear specimen have been 1) obtaining a homogeneous stress state with low stress triaxiality in the zone of the specimen subjected to shear and 2) appropriateness for dynamic testing. Additionally, avoiding premature specimen failure due to edge effects was aimed at. Most dimensional and practical constraints arose from the dynamic test in which the specimen is loaded by mechanical waves in a split Hopkinson tensile bar device. Design of the specimen geometry is based on finite element simulations using ABAQUS/Explicit. The behaviour of the specimen is compared with the more commonly used simple shear specimen with clamped grips. Advantages of the new technique are shown. The technique is applied to Ti6Al4V sheet. During the high strain rate experiments high speed photography and digital image correlation are used to obtain the local shear strain in the specimen. Comparison of experimental and numerical results shows good correspondence.     

基于BP神经网络与小冲杆试验确定在役管道钢弹塑性性能方法研究

为了能够在不停输油气工况下获得在役管道材料的弹塑性力学性能, 提出了一种人工智能BP (back-propagation)神经网络、小冲杆试验与有限元模拟相结合,通过确定材料真应力-应变曲线从而获得材料弹塑性力学性能的方法. 首先,通过系统改变Hollomon公式中的参数$K$, $n$值,获得457组具有不同弹塑性力学性能的假想材料本构关系, 其次,将得到的本构关系代入经试验验证的含有Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)损伤参数的小冲杆试验二维轴对称有限元模型,通过有限元计算得到了与真应力-应变曲线一一对应的457条不同假想材料的载荷-位移曲线,最终将两组数据作为数据库输入BP神经网络进行训练,建立了同种材料小冲杆试验载荷-位移曲线与真应力-应变曲线之间的关联关系.通过此关联关系,可利用试验得到的小冲杆载荷-位移曲线获取在役管道钢的真应力-应变曲线,从而确定其弹塑性力学性能.通过对比BP神经网络得到的X80管道钢真应力-应变曲线与单轴拉伸试验的结果以及引用现有文献中不同材料的试验数据对此关系进行验证,证明了该方法的准确性与广泛适用性.      

花岗斑岩Holmquist-Johnson-Cook本构模型参数研究

对取自玉龙铜矿边坡的花岗斑岩进行相关物理和静力学实验,获得岩石的密度、弹性模量、泊松比、单轴抗压强度以及抗拉强度等参数。通过花岗斑岩SHPB实验得到试样的典型冲击动载应力-应变曲线。利用相关实验结果,借助显式动力有限元软件LS-DYNA,得到花岗斑岩的HJC(Holmquist-Johnson-Cook)本构模型参数,分析岩石动载强度对HJC模型参数的敏感性,总结出一套HJC模型参数的取值方法。岩石动载强度对HJC模型的A,B,N和fc参数最为敏感,该参数变化幅度在-30%~30%时,强度变化率大于11%。HJC模型参数的取值过程中,将岩石物理和力学实验数据与数值模拟进行结合,即可体现HJC模型基本理论,又可均衡实验和数值模拟的工作量,并能获得可靠的模型参数,为岩石动载数值模拟计算提供帮助。     

激光金属沉积GH4169在不同应变率下的剪切特性及破坏机理研究

为了能在传统的分离式Hopkinson压杆上准确可靠地测试激光金属沉积GH4169的动态剪切特性，基于数值模拟方法对比分析了三种不同动态剪切试样形式及尺寸对剪切区应力分布的影响，结果表明:经过尺寸优化后的双剪切试样的剪切区剪应力占主导地位，可实现近似纯剪切的动态剪切实验。利用此试样形式，系统测试了不同取向（扫描方向、沉积方向）的LMD GH4169试样在不同应变率下的剪切应力应变曲线，并对破坏后试样进行了SEM分析观察。结果表明:(1) 本文中选用的试样形式剪切纯度高，应力沿剪切区宽度厚度分布均匀，可以更好地得到材料的动态剪切特性；(2) 对实验所得剪应力-剪应变曲线进行分析，发现本材料在扫描路径方向和沉积方向并没有表现出明显的各向异性，但随着应变率的增加，具有明显的应变率强化效应；将单轴压缩和动态剪切应力应变曲线同时转换为等效应力应变曲线，对比证实了试样形式能很好反应材料的剪切特性；(3) 通过对LMD GH4169剪切变形破坏试样的微观分析发现，随着应变率升高，断口韧窝尺寸和深度减小，韧性降低，在更小的变形量下容易剪切失效。初始微观缺陷容易导致材料的动态剪切破坏。