Al2O3陶瓷材料应变率相关的动态本构关系研究

采用改进的SHPB实验方法对Al2O3陶瓷的动态力学性能进行了研究,得到了材料在较高应变率范围内的动态应力应变曲线。结果表明,Al2O3陶瓷为弹脆性材料,其动态应力应变呈非线性关系,在较高的应变率范围内,陶瓷材料的动态应力应变关系是应变率相关的;材料的初始弹性模量、破坏应力、破坏应变值随应变率的增大而增大。基于损伤力学的基本理论,给出了Al2O3陶瓷的一维损伤型线性弹脆性本构模型。根据SHPB实验结果确定模型中的参数,得到了Al2O3陶瓷应变率相关的损伤型动态本构方程。     

104s-1应变率下SHPB系统实验相关问题探讨

利用小直径(3.17mm)的SHPB系统初步获得两种较高强度材料(一种特种钢和一种WMo合金)应变率达到104s-1以上的动态压缩应力 应变曲线。通过对这次实验过程及结果的观察和分析,对高应变率实验存在的几个问题进行了探讨。     

准一维应变下Al2O3陶瓷动态压缩失效的实验研究

为了考察Al2O3陶瓷准一维应变下的力学性能,采用LY12铝套筒和45钢套筒对陶瓷试样进行了环向约束,在准静态和动态下分别进行了压缩实验,得到了材料的应力-应变曲线。实验结果表明,Al2O3陶瓷的轴向压缩强度基本上随围压的增大而增大,动态压缩加载下的轴向压缩强度随应变率增大而增大。Al2O3陶瓷在准一维应变下的破坏形式为裂纹破坏,准静态的脆性失效行为可以用Mohr-Coulomb失效准则来描述。     

陶瓷材料SHPB实验的改进垫块法

高强度陶瓷材料SHPB实验中,利用圆柱或圆台形垫块可避免压杆的端面塑性变形,但存在陶瓷试件中轴向的应力不均匀现象,从而影响实验结果的有效性。本文通过数值模拟分析了两种垫块方式引起的试件中轴向应力分布的特点,并以此为基础提出了一种更为合理的垫块方法。利用商业软件LS-DYNA,数值模拟了改进垫块方法的陶瓷材料SHPB实验。结果显示,基本上消除了陶瓷试件中轴向应力不均匀现象。应用一维应力波理论,分析了实验中的波传播过程,得到了对实验数据的修正处理方法,并证明了所提的修正方法是可行有效的。     

A95陶瓷材料的动态压缩测试研究

为了得到陶瓷材料有效的实验结果,必须采用多种改进措施(PulseShaper、高强度和高刚度垫块、直接测试试样应变以及使用较大长径比的试样)来满足SHPB装置所要求的基本假设条件。研究以A95陶瓷的测试为例,通过数值模拟分析证明:针对陶瓷材料改进的SHPB装置,可以得到陶瓷材料的有效压缩应力 应变曲线和压缩破坏强度。但是在分析材料的压缩破坏强度时,必须排除劈开破坏的干扰。数值模拟研究发现,压缩测试中出现的劈开破坏是由卸载过程中出现的局部横向(沿直径)拉伸造成的拉伸破坏。在修正了弥散对压缩破坏强度的影响后,研究得到了A95陶瓷的压缩破坏强度为3.5GPa。A95陶瓷的高应变率压缩应力 应变曲线显示了良好的线弹性,并且曲线的斜率与杨氏模量相同。     

应变率历史对应力应变曲线的影响

利用普通SHPB实验系统、双试件SHPB实验系统，对一特种钢材进行了不同应变率历史的动态压缩实验，获得了不同应变率历史所对应的应力应变曲线。通过量化平均应变率相同的情况下不同应变率历史所对应的应力应变曲线的差别，以及量化应变率历史的恒定程度，初步分析了应变率历史对应力应变曲线的影响。研究结果表明:特别是在较高平均应变率下，应变率历史对试件材料的应力应变曲线有明显的影响，在材料动态本构关系研究中应当考虑应变率历史的影响。     

采用改进的SHPB方法对泡沫铝动态力学性能的研究

本文改进了传统的分离式霍布金森压杆(SHPB)技术，采用夹在透射杆中的PVDF压电计直接测量透射杆中的应力时程．同时，采用输入波形整形技术，通过调整加载波形，使试样加载过程中保证均匀变形及应力平衡．利用此改进了的SHPB技术对泡沫铝进行了高应变率下的动态压缩实验．实验结果表明：泡沫铝的动态应力应变曲线具有泡沫材料的应力应变曲线的“三阶段”特征(elastic region，collapse region and densification region)，并且应变率对其力学性能影响明显．     

一种适用于低体模量材料的被动围压SHPB实验设计

基于动态三轴被动加载实验技术,建立了一种可测量吉帕量级及以下低体模量材料压强-体应变关系的被动围压SHPB实验设计方法。在该实验设计中确定了样品、封装垫块、围压套管的尺寸以及尺寸间的匹配,并对实验压强进行了限制。通过比较传统SHPB实验和被动围压SHPB实验测量LC4铝合金等效应力的方式,验证了被动围压SHPB实验压强测量的有效性;通过实验和数值模拟分析,验证了体应变测量的有效性。将设计的被动围压SHPB实验方法应用于铈,得到了铈在伽马→阿尔法相变区间完整显示的压强-体应变演化信息,且相变起始和终止压强、相变体积变化量均与静高压实验结果基本一致。这说明设计的被动围压SHPB实验方法适用于测量低体模量材料的压强-体应变关系。     

聚合物材料SHPB实验关键问题

分离式霍普金森压杆(SHPB)广泛用于测量聚合物材料在高应变率下的动态力学行为.但是由于聚合物材料本身的低强度、低刚度、低阻抗、低波速等特点,使得SHPB动态试验相比其他材料更加复杂.论文较为详细地综述了聚合物材料SHPB实验技术中的应力应变计算、脉冲整形技术、动态应力平衡、摩擦与惯性效应、试件与波导杆的选择、碰撞速度与应变率关系、最大常应变率的确定等关键问题及其进展.理解这些关键问题并且采用目前较好的方法,对于获得聚合物材料有效和准确的高应变率力学特性具有重要意义.     

侧限压缩下干燥砂的动态力学性能

通过添加波形整形器的分离式霍普金森压杆(SHPB),研究了侧限条件下干燥砂在不同应变率和 不同预压时的动态压缩力学性能,并利用MTS810材料实验系统,研究了干燥砂的准静态压缩应力应变曲 线。实验采用的材料为硅基细颗粒干燥砂,粒径分布范围为150~245m,自然堆积状态的密度为 1.40g/cm3。研究发现,应变率对干燥砂压缩过程影响不大,而不同的预压对实验结果影响显著。     

A quartz-crystal-embedded split Hopkinson pressure bar for soft materials

A dynamic experimental technique that is three orders of magnitude as sensitive in stress measurement as a conventional split Hopkinson pressure bar (SHPB) has been developed. Experimental results show that this new method is effective and reliable for determining the dynamic compressive stress-strain responses of materials with low mechanical impedance and low compressive strengths, such as elastomeric materials and foams at high strain rates. The technique is based on a conventional SHPB. Instead of a surface strain gage mounted on the transmission bar, a piezoelectric force transducer was embedded in the middle of the transmission bar of a high-strength aluminum alloy to directly measure the weakly transmitted force profile from a soft specimen. In addition, a pulse-shape technique was used for increasing the rise time of the incident pulse to ensure stress equilibrium and homogeneous deformation in the low-impedance and low-strength specimen.     

基于SHPB的UHPC冲击试验径向惯性效应分析

为探讨UHPC试件惯性效应对SHPB加载过程的影响,采用大型有限元分析软件LS-DYNA从试件直径、长径比以及恒应变率加载等角度出发,开展了相应的数值模拟与分析。通过对软件中Karagozian-Case-Concrete (KCC)损伤模型参数取值进行优化,建立了基于SHPB技术的UHPC材料冲击压缩数值模型并与试验验证。在此基础上,开展不同UHPC试件直径、长径比以及有无整形器下的参数分析,探讨其对SHPB试验中径向惯性效应的影响。结果表明:(1)为实现加载过程中一维应力传播和UHPC试件应力平衡,试件直径建议按0.90～0.95倍杆件直径取值;(2) UHPC试件长径比对试件加载过程中的应力平衡影响较小,但综合试件中钢纤维分布均匀性以及破坏前一维应力传播,建议按0.35～0.45取值;(3)实现恒应变率加载是UHPC材料在SHPB冲击试验中消除径向惯性效应的重要前提。     

Thickness Effect of Pulse Shaper on Dynamic Stress Equilibrium and Dynamic Deformation Behavior in the Polycarbonate Using SHPB Technique

0Introduction Thehighstrainratestress strainresponsesofpolymersandpolymericcompositematerialshave receivedincreasedscientificandindustrialattentioninrecentyears.Polymericmaterialsaresubjected todynamicloadingandhighstrainratedeformationinavarietyofimporta…     

混凝土类材料动态压缩强度在多维应力状态下的应变率效应

对混凝土类材料动态压缩应变率效应研究的发展及问题进行了概述,对比不同应力状态下混凝土类材料动态压缩应变率效应的表现特征,揭示了不同加载路径下实测动态强度提高系数的显著差异。研究表明,在高应变率下,基于初始一维应力加载路径的试件将因横向惯性效应导致的侧向围压而演化至多维应力状态,传统霍普金森杆技术无法获得高应变率下基于真实一维应力路径的动态强度提高系数,在强度模型中直接应用实测数据将过高估计材料的动态强度。鉴于应变率效应的加载路径依赖性,将仅包含应变率的强度提高系数模型扩展至同时计及应变率和应力状态的多维应力状态模型,并结合Drucker-Prager准则在强度模型中给予了实现。针对具有自由和约束边界试件开展的数值霍普金森杆实验表明,多维应力状态下的应变率效应模型可以考虑应变率效应随应力状态改变的特点,从而准确预测该类材料的动态压缩强度。研究结果可为正确应用霍普金森杆技术确定脆性材料的动态压缩强度提供参考。     

波形整形器在酚醛树脂的霍普金森压杆实验中的应用

利用霍普金森压杆在室温下进行了应变为 10 2 ～ 10 3 s-1的冲击压缩实验 ,同时采用波形整形器使入射波的上升沿变宽 ,更好地满足试件中应力应变均匀分布的条件 ,使实验更接近常应变率加载的条件。结果表明 ,酚醛树脂是一种应变率敏感材料 ,在室温下和高应变率下表现出冲击脆化的特征。     

Design of Inserts for Split-Hopkinson Pressure Bar Testing of Low Strain-to-Failure Materials

In the present study a new insert design is presented and validated to enable reliable dynamic mechanical characterization of low strain-to-failure materials using the Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB) apparatus. Finite element-based simulations are conducted to better understand the effects of stress concentrations on the dynamic behavior of LM-1, a Zr-based bulk metallic glass (BMG), using the conventional SHPB setup with cylindrical inserts, and two modified setups—one utilizing conical inserts and the other utilizing a “dogbone” shaped specimen. Based on the results of these computational experiments the ends of the dogbone specimen are replaced with high-strength maraging steel inserts. This new insert-specimen configuration is expected to prevent specimen failure outside the specimen gage section. Simulations are then performed to validate the new insert design. Moreover, high strain-rate uniaxial compression tests are conducted on LM-1 using the modified SHPB with the new inserts. An ultra-high-speed camera is employed to investigate the changes in failure behavior of the specimens. Additional experiments are conducted with strain gages directly attached to the gage section of the specimens to determine accurately their dynamic stress–strain behavior.     

Loading and unloading split hopkinson pressure bar pulse-shaping techniques for dynamic hysteretic loops

Pulse-shaping techniques are developed for both the loading and unloading paths of a split Hopkinson pressure bar (SHPB) experiment to obtain valid dynamic stress-strain loops for engineering materials. Front and rear pulse-shapers, in association with a momentum trap, are used to precisely control the profiles of the loading and unloading portions of the incident pulse. The modifications, ensure that the specimen deforms at the same constant strain rate under dynamic stress equilibrium during both loading and unloading stages of an experiment so that dynamic stress-strain loops can be accurately determined. Dynamic stress-strain loops with a constant strain rate for a nickel-titanium shape memory alloy and polymethyl methacrylate are determined using the modified SHPB. The modified momentum trap prevents repeated loading on a specimen without affecting the amplitude of the desired loading pulse and without damaging the bar at high stress levels.     

Modal Analysis of a Servo-Hydraulic High Speed Machine and its Application to Dynamic Tensile Testing at an Intermediate Strain Rate

This paper describes the experimental procedure to identify the predominant frequencies of the high speed testing machine by conducting modal analysis. The effects due to the predominant frequencies of the system and loading rate on the magnitude of system ringing and the flow stress were analyzed by using a single degree-of-freedom (SDOF) spring-mass-damper model. The system was then used to study the dynamic tensile behavior of two engineering materials, i.e., polyethylene (PE) fabric-cement composite and Alkaline Resistant (AR) glass fabrics at an intermediate strain rate. The stress oscillations in the response of these materials due to system ringing were addressed. The failure behavior of each material was studied by examining high speed digital camera images of specimens during the test. The validity of the dynamic tensile tests was investigated by examining the condition of dynamic stress equilibrium—a criterion used in split Hopkinson pressure bar (SHPB) tests. The results show that the quantitative criterion for a valid SHPB test is also applicable to dynamic tensile tests of these materials at the intermediate strain rate.     

Al2O3基陶瓷刀具材料摩擦磨损特性及其有限元分析

以添加TiC、Ti（C,N）和SiCw 3种Al2O3基陶瓷刀具材料作为研究对象,在MRH-3型高速环-块摩擦磨损试验机上研究3种陶瓷刀具材料在相同试验条件下的摩擦磨损性能,通过扫描电子显微镜对陶瓷的磨损表面进行观察,并利用ANSYS有限元软件分析计算磨损时的应力分布．结果表明,Al2O3基陶瓷刀具材料的摩擦磨损特性与其添加剂的种类有关,其抗磨性能由大到小顺序依次为Al2O3／SiCw〉Al2O3／Ti（C,N）〉Al2O3／TiC．Al2O3基陶瓷刀具的摩擦磨损性能与其硬度（H）、弹性模量（E）和断裂韧性（KIC）有关,磨损率W随E／H增加而增大,随KIC增加而减小．Al2O3／TiC陶瓷刀具材料的磨损机理以粘着磨损为主,Al2O3／Ti（C,N）和Al2O3／SiCw陶瓷刀具材料的磨损机理主要为磨粒磨损．