Comp.B复合炸药动态压缩力学性能和本构关系的研究

本文利用自制的含能材料变温动态压缩实验装置，采用准静态应变速率（１０－４／ｓ）和中等应变速率（３／ｓ），对国产复合炸药Ｃｏｍｐ．Ｂ进行了动态压缩实验。测试了Ｃｏｍｐ．Ｂ在不同温度、不同应变速率条件下的杨氏模量、断裂强度等力学性能参数。实验结果证明，Ｃｏｍｐ．Ｂ具有明显的应变率相关和温度效应。采用Ｊｏｈｎｓｏｎ提出的温度、应变率相关的本构模型，根据实验数据拟合了Ｃｏｍｐ．Ｂ材料的本构关系，分析表明该本构模型可以很好地描述材料的应变率和温度效应。这些基础研究为含能材料动态力学性能的研究和炸药早爆机理的理论分析提供了依据。     

Kevlar29纱线动态拉伸力学性能与本构方程

为了能够清晰地表征芳纶纱线在不同应变率下的力学行为,进行了Kevlar29纱线的准静态和动态拉伸试验,结合分离式霍普金森拉杆理论和运动目标追踪法,获得了Kevlar29纱线在不同应变率下的应力-应变曲线,分析了纱线动态拉伸的变形与断裂过程,揭示了Kevlar29纱线力学性能的应变率效应;通过最小二乘法拟合得到了基于纱线应变率效应的黏弹性本构方程,分析了三元件和五元件本构模型的差异及适用性。结果表明：随着应变率升高,Kevlar29纱线的断裂应变减小,拉伸强度和韧性先增大后减小,拉伸模量先增大后趋于稳定;五元件黏弹性本构模型能够较好地表征纱线力学性能的应变率效应。     

聚氨酯泡沫铝动力学性能实验及本构模型研究

为了改进泡沫铝的动态吸能性能,将聚氨酯填充到开孔泡沫铝中制备成复合材料。通过霍普金森杆(SHPB)冲击实验,研究包含相对密度、应变、应变率和聚氨酯含量等影响因素的聚氨酯泡沫铝材料的动力学性能,并建立了动态本构模型。实验结果表明,聚氨酯泡沫铝的动态弹性模量与相对密度无关,屈服强度和流变应力与应变率和泡沫铝的相对密度成正比;聚氨酯泡沫铝的屈服强度与泡沫聚氨酯质量增加近似呈线性关系。所建立的动态本构模型在相对密度和应变率在一定的变化范围内与实验数据吻合较好。     

聚苯乙烯泡沫颗粒散体和整体集合的准静态压缩力学特性

对颗粒聚苯乙烯(EPS)泡沫单粒及封闭容器中的大量颗粒整体分别进行了不同加载速率下的准静态压缩实验,获得相应的压缩应力应变曲线.分析了单颗泡沫颗粒内部气体对材料压缩性能的影响,以及大量颗粒用作包装材料时由于内、外部气体被挤出所引起的密度变化对整体应力应变关系的影响.研究表明:EPS泡沫是典型的闭胞材料,单颗颗粒内部气体压力对材料力学行为的影响可以用Ashby等提出的闭胞材料内部气体压力贡献来描述,经过对实验数据拟合,给出了描述单颗材料的考虑颗粒内部封闭气体压力贡献及加载速率影响的本构方程.另一方面,封闭容器里的大量泡沫颗粒的整体力学性能既受颗粒内部气体压力影响,又受颗粒间缝隙气体流动的影响;表观上这种内、外部气体的贡献可以通过材料的表观密度来描述.通过引入整体密度影响因子,定量分析了加载速率对大量颗粒整体的应力应变关系的影响.研究结果对理解大量泡沫颗粒整体的力学性能提供一定的线索.     

复合功能布的动态力学性能及本构关系

针对复合功能布的物理特性,利用材料试验机和分离式Hopkinson压杆装置,展开了准静态和动态条件下单层和双层复合功能布材料的单轴抗压实验,获得了两种材料在不同应变率下的应力应变曲线和材料的失效应力、应变.实验结果表明:复合功能布的动态失效强度明显高于准静态失效强度,而且随着应变率的增加其动态失效强度呈现增加的趋势,即该材料具有明显的应变率硬化效应.对应力应变曲线进行拟合,给出了材料的动静态粘弹性本构关系.并对复合功能布在不同应变率下的失效应变及材料的损伤结果进行了初步的分析.     

COMP．B复合炸药动态力学性能和塑性流动本构关系的研究

利用自制的含能材料动态变温三轴压缩实验装置，采用准静态应变速率（１０－４／ｓ）和中等应变速率（３／ｓ），对国产复合炸药Ｃｏｍｐ．Ｂ进行了三轴压缩实验．测试了Ｃｏｍｐ．Ｂ在不同温度、不同应变速率条件下的杨氏模量Ｅ，泊松比ν和屈服强度Ｙ．实验结果表明，Ｃｏｍｐ．Ｂ具有明显的应变率相关和热软化效应．基于热激活模型，作了适当的改进，根据实验数据建立了含能材料塑性流动模型，分析表明该模型能合理地描述率相关材料的塑性流动，同时考虑了应变率和温度对塑性流动的影响．这些基础研究为含能材料动态力学性能的研究和炸药早爆机理的理论分析提供了依据     

硬质聚氨酯泡沫塑料本构关系的研究

介绍用大尺寸分离式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆对四种密度的硬质聚氨酯泡沫塑料进行高应变率实验，完整地给出了这种材料在１０３／ｓ高应变率下的包括弹性区、屈服区和致密区变形全过程的动态应力应变曲线，并提出了包括应力、应变、应变率和密度等参量的本构关系．     

通孔泡沫铝的动态压缩行为

在SHPB装置上对渗流法制备的通孔泡沫铝进行了动态压缩实验,研究了相对密度为0.341~0.419的通孔泡沫铝在10-3~2000 s-1应变率范围内的压缩响应特征和应变率相关性,并用扫描电镜（scanning electron microscope,SEM)分析了泡沫铝的压缩变形特征。实验结果表明,通孔泡沫铝有明显应变率效应,随应变率上升,泡沫铝流动应力提高。SEM观察结果揭示,在动态压缩下,通孔泡沫铝宏观上均匀变形,微观变形机制以泡孔横向伸展坍塌为主。     

不同应变率下聚乙烯材料的压缩力学性能

为了研究聚乙烯材料在不同应变率下的压缩力学性能,通过准静态实验和动态实验获得聚乙烯材料不同应变率下的应力应变曲线,分析发现:聚乙烯的弹性模量和屈服强度随应变率增大而增大,具有明显的黏弹塑性;聚乙烯材料进入塑性阶段,其应力应变曲线在不同应变率下具有相近的变化趋势,即塑性切向模量近似相同。根据聚乙烯材料的压缩力学性能,建立了弹性区、屈服点和塑性区的分段本构模型。该模型的屈服点和塑性段与实验结果吻合较好,由于弹性段采用线弹性模型,与实验结果存在一定偏差,可近似描述材料的弹性行为。     

花岗岩的动态力学性能、本构模型与状态方程研究

为研究强动载荷条件下花岗岩的动态力学性能、本构模型与状态方程,分别采用分离式霍普金森压杆和轻气炮系统进行了压杆试验和飞片撞击试验,以获得不同条件下花岗岩的动态力学参数。压杆试验结果表明,花岗岩在应变率为80~320 s^–1范围内呈现明显的应变率效应,其强度和应变率近似呈指数关系。飞片撞击试验表明,随着飞片速度的增大,冲击波传播速度呈现明显的三折线变化趋势,而试样的可压缩性则随着加载速度的提高先逐渐增强然后再次降低。最后,根据试验数据,给出了强动载荷条件下花岗岩的HJC（Holmquist–Johnson–Cook）本构模型、Gruneisen状态方程以及动态屈服强度参数。

     

High-strain-rate compressive behavior of a rigid polyurethane foam with various densities

The dynamic compressive stress-strain behavior of a rigid polyurethane foam with four values of density (78, 154, 299, and 445 kg/m³) has been determined in the strain-rate range of 1000–5000 s⁻¹. A pulse shaping technique was used with a split Hopkinson pressure bar to ensure homogeneous deformation in the foam specimens under dynamic compression. Dynamic stress equilibrium in the specimen was monitored during each experiment using piezoelectric force transducers mounted close to the specimen end-faces. Quasi-static experiments were also performed to demonstrate rate effects. Experimental results show that both the quasistatic and the dynamic stress-strain curves of the foam exhibit linear elasticity at small strains until a peak is reached. After the peak, the stress-strain curves have a plateau region followed by a densification region. The peak stress is strain-rate sensitive and depends on the square of the foam density.     

V-5Cr-5Ti的常温动态压缩力学性能

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,在常温下对V-5Cr-5Ti合金分别进行了应变率效应试验、 限制应变试验和应变累积的动态压缩试验;分析了应变率、应变累积对V-5Cr-5Ti合金动态压缩性能的影响; 并对压缩试验后的试件进行了金相分析。结果表明,V-5Cr-5Ti合金具有明显的应变率和应变历史效应,而 应变历史对材料的动态压缩性能的影响更明显。在高应变率下,应变低于0.20时,出现孪晶组织;而应变高 于0.20时,孪晶组织急剧减少甚至消失。     

Simultaneous measurement of viscoelastic changes and cell opening during processing of flexible polyurethane foam

A parallel-plate rheomete was constructed and used to study the development of dynamic shear modulus and cell opening under forced adiabatic conditions for a series of flexible slabstock polyurethane foams. Typical industrial formulations were used. The plates were heated to follow the adiabatic temperature profile of a real foam bun during foaming. The rheometer overcomes difficulties encountered in other methods such as heat loss and bubble damage caused by the probe.A four-stage modulus development profile was observed: initial bubble growth, bubble network, polymer stiffening and final curing. Chemical structure development was also studied under forced adiabatic conditions, using Fourier transform infrared spectroscopy. Polymer stiffening coincided with bidentate (hydrogen-bonded) urea formation.The normal force exerted by the expanding foam on the plates was found to be a function of the rate of foam expansion and the foam modulus. A sudden drop in the normal force typically coincides with the visually observed blow-off in the reacting foam bun, thus the normal force profile is a new and accurate indicator of cell opening. The normal force profile clearly shows that cell opening occurs just after the onset of polymer stiffening, thus illustrating the role of polymer rheology in the cell opening mechanism.Dedicated to the memory of Professor Tasos C. PapanastasiouPortions presented at the SPI Polyurethanes Technical/Marketing Conference, October 9–12, 1994, Boston, massachusetts, USA (Best paper award) and at the XIIth International Congress on Rheology, August 18–23, 1996, Québec City, Québec, Canada.     

不锈钢材料的动态力学性能及本构模型

利用带有温度调控系统的SHPB实验装置测定了0Cr17Mn5Ni4Mo3Al不锈钢在3种应变率(300、1 000、2 700 s-1)、4种环境温度（25、300、500和700 ℃）下的应力应变关系;在液压伺服材料试验机(MTS)上进行了3种温度下的准静态（0.0005 s-1）压缩实验。实验结果表明:该不锈钢有明显的应变率强化效应和温度软化效应,并且随着环境温度的升高,应变率强化效应减弱。对Johnson-Cook模型进行了修正,考虑了冲击过程中绝热温升引起的软化效应。修正后的Johnson-Cook模型与实验结果吻合较好。     

激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的动态力学性能及其本构关系

为了开展激光选区熔化（SLM）增材制造钛合金的动态力学性能研究,分别采用热模拟材料试验机、分离式霍普金森压杆装置对激光选区熔化钛合金在不同温度下进行了准静态和动态压缩实验,并基于实验结果拟合Johnson-Cook本构模型,同时对钛合金在高温、高应变率下的力学行为进行了有限元模拟。结果表明,相对于铸造或锻造钛合金,激光选区熔化钛合金具有更细小、均匀的组织,使其屈服强度有明显的提升,且表现出明显的应变率强化效应和热软化效应。有限元模拟结果与实验有着较高的重合度,进一步验证了本构参数的有效性,为扩大激光选区熔化技术及其产品的应用提供了理论基础。

     

PBX-1炸药的力学性能和本构关系

PBX的力学行为对其安全性有重要影响。为研究PBX-1的力学性能,以PBX-1为研究对象,进行准静态力学实验和SHPB(分离式霍普金森压杆)实验研究。结果表明,准静态压缩实验中,试样的裂纹出现在与加载方向大约成45°的最大剪应力方向。SHPB实验中,在应变率100~1 500 s^-1范围内,随着应变率的提高,PBX-1炸药的动态屈服强度、动态压缩强度和破坏应变不断提高。动态屈服强度逐渐从静态的2.77 MPa增加至16.1 MPa;压缩强度从7.46 MPa增加至16.1 MPa,破坏应变从6.23%增加到26.4%。同时,基于Z-W-T模型,建立了一种含损伤的动态黏弹性本构模型,在330~1 500 s^-1应变率范围内具有较高的精度,可以较好地描述PBX-1炸药在达到破坏前的动态力学行为。     

CoCrFeNiAlx系高熵合金的动态力学性能和本构关系

高熵合金,以其独特的合金设计和优异的综合性能,成为当下材料研究的热点。本文利用高真空电弧熔炼法成功制备出了CoCrFeNiAl_x（x=0, 0.6, 1）系高熵合金,并通过分离式霍普金森压杆对其进行一系列不同应变速率下的动态压缩试验。通过X射线、扫描电镜和透射电镜分析,深入探索了该合金系的晶体结构、微观组织和变形特征。最后,利用修正后的Johnson-Cook (J-C)本构模型,获得了该体系高熵合金的动态本构关系。     

Dynamic recursive decoupling method for closed-loop flexible mechanical systems

In this paper, a new method for the dynamic analysis of a closed-loop flexible kinematic mechanical system is presented. The kinematic and force models are developed using absolute reference, joint relative, and elastic coordinates as well as joint reaction forces. This recursive formulation leads to a system of loosely coupled equations of motion. In a closed-loop kinematic chain, cuts are made at selected auxiliary joints in order to form spanning tree structures. Compatibility conditions and reaction force relationships at the auxiliary joints are adjoined to the equations of open-loop mechanical systems in order to form closed-loop dynamic equations. Using the sparse matrix structure of these equations and the fact that the joint reaction forces associated with elastic degrees of freedom do not represent independent variables, a method for decoupling the joint and elastic accelerations is developed. Unlike existing recursive formulations, this method does not require inverse or factorization of large non-linear matrices. It leads to small systems of equations whose dimensions are independent of the number of elastic degrees of freedom. The application of dynamic decoupling method in dynamic analysis of closed-loop deformable multibody systems is also discussed in this paper. The use of the numerical algorithm developed in this investigation is illustrated by a closed-loop flexible four-bar mechanism.