玻璃样品表面对失效波萌生的影响

实验首次发现经过酸(5%HCl)处理的玻璃样品表面以及飞片表面粗糙度的变化均对失效波(failure wave)形成的载荷阈值有明显影响.这说明失效波的形成机制与玻璃样品表面固有微裂纹、碰撞瞬间由于样品表面与其内部力学性质差异导致的微裂纹形核、长大等因素有直接关系,从而对进一步研究失效波的萌生机制和建立相关理论模型提供重要的支持.     

玻璃样品对表面对失效波萌生的影响

实验首次发现经过酸（5％HCl)处理的玻璃样品表面以及飞片表面粗糙度的变化均对失效液（failure wave)形成的载荷阈值有明显影响。这说明失效波的形成机制与玻璃样品表面固有微裂纹。碰撞瞬间由于样品表面与其内部力学性质差异导致的微裂纹形核、长大等因素有直接关系。从而对进一步研究失效波的萌生机制和建立相关理论模型提供重要的支持。     

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.      

冲击压缩下玻璃样品后自由表面速度的过冲现象

实验发现当飞片碰撞玻璃样品产生的冲击载荷超过一定值后 ,玻璃样品后自由表面速度时程曲线上有过冲现象 ,即速度上升到最大值后 ,立即开始下降 ,其时间的开始部分类似于三角波。通过高速摄影和VISAR等测试手段对这一现象进行了较系统的研究 ,发现其与玻璃样品后自由表面附近的破碎有关 ,建立了描述这一破坏现象的损伤演化方程 ,并进行了数值模拟。计算结果和实验结果吻合 ,表明对这个现象的解释是合理的。     

三角形波致LY12铝层裂的平板冲击实验研究

采用基于冲击波衰减动力学的实验技术,使平板碰撞层裂实验的LY12铝样品中,产生三角形冲击脉冲.采用VISAR技术记录样品自由表面历史,获得样品中发生层裂的信号.在经过高应力三角形波实验的软回收样品上,发现了两个层裂面.就样品中呈现三角形脉冲的平板冲击实验而言,样品中可以存在一些高拉伸应力区域并发生多次层裂.将该文提出的基于空穴聚集的层裂模型用于数值模拟这些特定条件的平板冲击试验,并将计算的样品自由面速度历史及样品中的损伤分布与实测的VISAR数据及软回收的样品层裂面等作了比较.研究表明,人为粘性、状态方程、本构方程以及层裂模型对于数值模拟三角形冲击脉冲引起的层裂有严重影响.     

爆炸荷载作用下两平行裂纹对扩展中裂纹的影响规律

用实验和数值模拟方法,研究在爆炸载荷下岩体内部一对平行裂纹对扩展主裂纹的影响规律。实验中,采用带有中心装药孔及预制裂纹的砂岩圆盘试件,利用由示波器、超动态应变仪及裂纹扩展计所组成的测试系统,监测主裂纹扩展速度和扩展距离;数值模拟中,采用了AUTODYN软件进行,模拟了主裂纹及两平行裂纹的扩展规律,对岩石材料,采用线性状态方程及最大拉应力失效准则,并在两平行裂纹间设置相应的观测点记录应力曲线。通过实验与数值模拟分析,得到:爆炸载荷下,紧随冲击波后的稀疏波经过两平行裂纹面反射后变成压缩波,并在两平行裂纹间产生垂直于主裂纹扩展方向的压应力,对裂纹的扩展有压制、止裂作用;而且,这种压应力的大小与两平行裂纹的间距有关,进而导致了不同的止裂效果,影响裂纹的扩展速度及最终扩展长度。     

舱内爆炸载荷及舱室板架结构的失效模式分析

通过对典型半穿甲导弹打靶实验中舰艇结构破坏模式的观察，结合数值模拟，分析了舱内爆炸载荷的特征以及舱内爆炸下舱室板架结构的失效模式。结果表明，舱内爆炸下，舱室板架结构承受的冲击载荷及失效模式与敞开环境爆炸下加筋板结构承受的冲击载荷及失效模式有较大区别，其动态响应难以用敞开环境爆炸下加筋板结构的动态响应描述；舱内爆炸载荷主要有壁面反射冲击波、角隅汇聚冲击波以及准静态气体压力，其中两壁面和三壁面角隅汇聚冲击波的强度分别为相同部位壁面反射冲击波强度的5倍和12倍以上；舱室板架结构主要有4种失效模式，其中模式Ⅲ、Ⅳ较常发生；舱室板架结构加强筋布置在迎爆面将使板架中部的局部破坏程度增加，但有利于削弱角隅汇聚冲击波强度，减小板架沿角隅部位的撕裂破坏。     

压剪复合冲击下氧化铝陶瓷的剪切响应实验研究

通过对92.93%氧化铝陶瓷进行倾斜板碰撞实验,研究了多晶陶瓷材料在压剪复合冲击下的非弹性变形响应和剪切波传播规律。压剪复合冲击实验由57 mm开槽气体炮驱动铜飞片对陶瓷靶板加载,通过试件内埋植的电磁速度计来测量内部质点速度历程。将纵向粒子速度从感应电动势曲线中分离后得到横向粒子速度历程,发现在压剪复合冲击下由于材料剪切刚度的降低而引起的剪切波衰减。冲击软回收试件的扫描电子显微镜（SEM）观察表明,冲击载荷低于屈服强度时,多晶氧化铝陶瓷中存在沿晶界、气孔的微裂纹成核与扩展,在高于屈服强度的冲击加载下进一步产生了穿晶微裂纹,微裂纹系统导致了材料在卸载后的显著的体积膨胀。     

动力损伤后的脆性岩石静力蠕变断裂模型研究

应力波动力扰动下脆性岩石的静力蠕变特性,对深部地下工程围岩变形的评价有重要的实践意义.动力载荷作用导致的局部细观裂纹损伤严重影响脆性岩石蠕变力学行为.基于细观裂纹扩展与应力关系模型、动力扰动损伤演化函数、静动力载荷演化路径函数与黏弹性本构模型,提出一种应力波动力扰动下脆性岩石蠕变断裂特性的宏细观力学模型.其中动力损伤通过控制岩石内部细观裂纹数量变化实现.模型描述了应力波动力扰动下岩石的应变时间演化曲线,解释了岩石动力扰动下蠕变失效特性.研究了不同应力波幅值及周期影响下的脆性岩石应变-时间关系曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性.讨论了动力损伤变化形式,突变发生时刻,突变量的大小对岩石蠕变失效特性的影响.分析了应力波幅值、周期对岩石动态动力损伤效应以及蠕变失效特性的影响.主要研究结果:动力损伤的变化值越大,岩石蠕变失效发生时间越短.冲击载荷扰动期间,动力损伤发生的时刻及增加的形式,对动力扰动后的岩石应变及蠕变破坏时间影响很小.动力损伤变化量随应力波幅值增加、周期减小而加速增大.应力波幅值越大、周期越小,岩石发生蠕变失效时间越短.     

应用于航空航天的疲劳寿命分析方法最近进展

综述了根据实验数据预测在模拟的工作载荷下裂纹扩展行为的断裂力学概念.讨论了从微观和宏观裂纹表面的观测以及从常温和高温实验数据的分析得出的力学机理.提出了用于飞机骨架裂纹形状及分布的循环损伤、时间相关的损伤及混合循环-率相关损伤的断裂力学参量.疲劳寿命分析的讨论包括裂纹定常扩展的减速和加速所引起的裂纹扩展行为.还讨论了将现有的方法推广用于高温条件下。     

压-剪复合应力波作用下材料动态断裂韧性研究

提出亚微秒单脉冲应力波载荷作用下Ⅱ型裂纹的平板冲击实验技术 .加载率为dK dt～ 10 8MPa·m1 2 ·s-1.实验中由锰铜应力片和弹性波理论分别测定和计算了压应力 ;通过微观分析确定了动态裂纹的平均扩展长度 ;引进等效应力强度因子 ,用动态断裂理论确定了 6 0 #钢的动态断裂韧性KⅠd和KⅡd ;建立了亚微秒冲击载荷作用下确定材料动态断裂韧性的方法     

Mo-ZrC梯度金属陶瓷的冲击响应行为

分层梯度材料特定的梯度变化能有效增强材料性能。为研究梯度结构、冲击方向对分层梯度材料冲击响应的影响,利用分离式霍普金森压杆结合高速摄影技术对Mo-ZrC分层梯度金属陶瓷进行了动态压缩实验,基于数字图像相关技术讨论了梯度结构、冲击方向对金属陶瓷材料破坏模式的影响,利用Mori-Tanaka理论计算得到金属陶瓷等效性质,结合应力波理论研究波在分层梯度复合材料中的传播规律。结果表明：(1)相同加载条件下,梯度结构对材料的强度、韧性和破坏产物的完整性具有重要影响,在冲击过程中,样品响应可以分为压紧阶段、裂纹成核发展阶段和贯穿阶段,对于不同梯度结构和冲击方向,样品在加载过程中呈现出不同的破坏时序和失效模式;(2)利用数字图像相关方法跟踪分层梯度陶瓷的局部变形发展,分析发现局部增量达到临界状态后,局部变形发展转化为微裂纹的形成和累积,最终导致整体性破碎失效;(3)通过分层梯度材料一维应力波传播理论推导得到,改变冲击梯度方向对应力波透反射系数存在一定影响,不同梯度结构设计对改变冲击梯度方向敏感性不同,且存在极值情况。     

红外窗口与整流罩的雨蚀研究进展

评述了高速雨滴对红外透波窗口与整流罩的冲蚀磨损行为及其特殊表面载荷的应力波传播形式、损伤裂纹类型和力学机制,介绍了雨蚀损伤的影响因素及评测方法和指标,指出了当前高速雨滴对红外透波窗口与整流罩的冲击磨蚀行为的研究方向.     

乘员股骨在轴向压力--弯矩下的损伤生物力学机理研究

汽车前碰撞事故中在冲击力作用下乘员股骨经常产生骨折创伤.为研究乘员股骨在不同的轴向压力--弯矩作用下的损伤机理及其耐受限度值,首先建立了一个较为精细的50百分位乘员的坐姿下肢有限元模型,并通过模拟股骨动态三点弯曲及下肢的轴向膝部冲击实验对模型的有效性进行了验证.在此基础上,针对股骨在轴向压力--弯矩载荷下的断裂失效分别进行了曲梁力学模型分析及有限元虚拟实验研究.结果表明:股骨骨折位置依赖于膝部轴向压力及弯矩的载荷大小的变化,在预加载弯矩从0增加到676Nm时,股骨失效部位由股骨颈部转移到股骨干末端区域;失效部位发生在颈部及股骨干时的最大力矩分别为285～296Nm和381～443Nm.股骨损伤机理的分析结果阐释了在膝部轴向冲击实验中失效部位位于股骨颈部,而在汽车前碰撞事故中仍有大量的股骨干骨折出现的原因.     

乘员股骨在轴向压力-弯矩下的损伤生物力学机理研究

汽车前碰撞事故中在冲击力作用下乘员股骨经常产生骨折创伤.为研究乘员股骨在不同的轴向压力-弯矩作用下的损伤机理及其耐受限度值,首先建立了一个较为精细的50百分位乘员的坐姿下肢有限元模型,并通过模拟股骨动态三点弯曲及下肢的轴向膝部冲击实验对模型的有效性进行了验证.在此基础上,针对股骨在轴向压力-弯矩载荷下的断裂失效分别进行了曲梁力学模型分析及有限元虚拟实验研究.结果表明:股骨骨折位置依赖于膝部轴向压力及弯矩的载荷大小的变化,在预加载弯矩从0增加到676Nm时,股骨失效部位由股骨颈部转移到股骨干末端区域;失效部位发生在颈部及股骨干时的最大力矩分别为285 296Nm和381443Nm.股骨损伤机理的分析结果阐释了在膝部轴向冲击实验中失效部位位于股骨颈部,而在汽车前碰撞事故中仍有大量的股骨干骨折出现的原因.      

冲击载荷下Al2O3磨料对齿轮磨损行为的作用机理研究

为了探究大型风电齿轮受冲击载荷在三体磨料磨损状态下的磨损特征与演变机理，需对初始磨粒混入的45钢斜齿轮磨损特征与运行状态进行分析研究.试验从齿轮磨损量、齿面磨损形貌分析、油液磨粒分析和振动分析4个方面进行磨损机理研究.利用磁粉制动器施加冲击载荷来模拟实际工况，使用颗粒计数器、单联式铁谱仪和扫描电子显微镜对油样磨粒和齿轮齿面损伤形貌进行观测.结果表明：初始硬质颗粒加速齿轮齿面磨损，导致齿轮提前进入剧烈磨损阶段，并引起齿面发生严重损伤，产生磨粒尺寸较大；对斜齿轮施加冲击载荷的加载方式加剧了磨粒磨损并扩大了应力集中，使得表面大磨粒脱落，齿宽降低，从而导致齿轮断裂失效.研究聚焦风电齿轮在风沙环境下易发生磨粒磨损的异常工况，研究结果将为改善风电齿轮在此类异常工况下的磨损状态，提供理论依据.     

冲击载荷下含表面裂纹圆柱壳体的动态断裂

动态载荷下含表面裂纹的有限尺寸构件的断裂问题在工程实践中有着重要意义,但由于此类问题非常复杂,目前还不能求得解析解。本文针对含轴向半椭圆盘状表面裂纹的圆柱壳体,应用有限元法研究了动态载荷下其断裂问题,计算了动态应力强度因子与静态应力强度因子的比值KdIyn(t)/KsIta。从计算结果可以得出,比值KdIyn(t)/KsIta与结构和裂纹的尺寸有关,而与冲击载荷的大小无关。本文所得结果在一定程度上揭示了圆柱壳体表面、裂纹面、物质惯性和弹性波的相互作用及其对动态断裂的影响。     

水下冲击波载荷作用下气背固支圆板动态毁伤实验

为了研究水下近爆载荷作用下舰艇水下结构的动态变形及失效毁伤模式,利用水下爆炸冲击波等效加载装置结合高速摄影技术,对两种厚度的气背固支5A06铝合金圆板进行了水下冲击波加载实验。得到了气背固支圆板塑性大变形、中心拉伸撕裂和边界剪切破坏3种典型失效模式的动态响应历程。比较分析了冲击波强度、冲击因子、损伤参数和响应参数4种毁伤判据对该类靶板毁伤模式的判别能力。实验结果表明:考虑了结构因素的损伤参数和响应参数能够更为全面的判别结构的失效毁伤情况。     

破片撞击下YAG透明陶瓷复合靶的破坏特性

YAG透明陶瓷兼具有优秀的透光性能和抗冲击破坏性能,是武器装备透明部分的优秀防护材料,在军事装备、航天等国防领域具有良好的应用前景。冲击载荷下材料的加载响应特性对掌握材料破坏机制至关重要,能为透明复合靶设计提供依据。为获得YAG透明陶瓷多层复合靶的冲击破坏特性,利用内径9 mm的气体驱动发射平台进行了碳化钨球形破片在20～310 m/s速度下撞击YAG透明陶瓷复合靶的实验,通过高速摄影捕捉的陶瓷表面损伤演化过程,计算了典型径向、环向裂纹扩展速度。通过观测回收的靶体和YAG碎片的宏细观破坏特征,分析了撞击速度与靶体破坏特征之间的联系。结果表明,YAG陶瓷层径向裂纹和环向裂纹扩展速度均随着时间的延长线性降低,且裂纹扩展速度几乎不受撞击速度影响。陶瓷层中心粉碎区面积随撞击速度的提高而增大,且中间玻璃层破坏区域面积与陶瓷锥底面积相关联,陶瓷锥角与撞击速度关联性不强。同时,观察到陶瓷层在冲击破坏过程中出现了裂纹簇,获得了裂纹簇数量与破片撞击速度之间的关系,分析了裂纹簇的特征及其成因。裂纹变向、应力波作用会显著影响细观断面破坏特征。径向、环向和锥裂纹中沿晶断裂的比例均随着裂纹扩展距离的增大而增加,且穿晶比例随着撞击速度的提高而增加。