聚氨酯(PU)在力学性能测试中的摩擦效应与变形均匀性研究

作为防弹玻璃夹层材料,PU的动态力学性能一直受到学者们的关注。为准确表征其动态力学性能,本文采用ABAQUS有限元软件对不同摩擦系数下的单轴压缩试验进行数值仿真,分析试样加载端面的摩擦效应和几何尺寸对单轴压缩试验结果的影响;结合高速摄影技术(HSP)与数字图像相关技术(DIC)观测到试样在拉伸试验中的动态变形场和应变场,探讨标距段的应力均衡性;同时对PU材料在不同应变率下的单轴压缩、拉伸力学性能进行测试。结果表明:压缩试样的端面摩擦效应限制横向变形,影响了试样内部的受力分布,使得测量得到的应力值偏大;试样长径比越小,端面摩擦效应的影响越大;在单轴动态拉伸试验中,板状拉伸试样的标距段选取应当考虑两端倒角尺寸。通过测试PU的拉、压力学性能,发现材料具有显著的应变率敏感性。     

基于三维DIC方法的高强钢拉伸力学性能测定

高强度钢在建筑等工程领域发挥着极为重要的作用,因此准确测定其力学性能具有至关重要的意义．鉴于传统机械引伸计在小尺寸试样变形测试中的不便性,利用三维数字图像相关(3D-DIC)方法,对8.8级螺栓和Q690钢这两类试样在单轴拉伸试验全过程中的变形进行了测试,分别得到了应力-应变曲线、弹性模量、屈服强度、强度极限、断后延伸率和断面收缩率,由于试样在屈服阶段应变增加而应力基本不变,因此同时研究了该阶段中试样从弹性变形演化到塑性变形的发展规律．实验结果表明三维DIC在小尺寸试样力学性能测试方面具有很强的优越性,可用来灵活地测量变形并研究变形的演化规律．     

Hopkinson拉杆平板挂钩试件结构智能协同优化

与霍普金森拉杆装置中常用的螺纹、胶粘等固定连接方式相比,平板挂钩试件具有连接形式简单、可实现快速组装等优势。针对平板挂钩试件在拉伸过程中因结构几何效应引起的数据测量误差问题,基于影响拉伸试件测量精度的指标：应力平衡达到时间、变形均匀程度、过渡段相对变形以及非轴向力水平,采用正交试验设计、反向传播（back propagation,BP）神经网络与遗传算法相结合的多目标智能协同优化算法对平板挂钩试件的结构参数进行优化,得到了平板挂钩试件最优的结构参数组合,有限元模拟和实验验证了最优结构参数的有效性。该研究结果可为基于平板挂钩试件的霍普金森拉伸实验的数据可靠性分析提供参考。

     

橡胶材料双轴拉伸大变形力学性能实验测试方法研究

为准确测试橡胶材料双轴拉伸大变形力学性能,本文设计了适用于方形试样的双轴拉伸夹具,开发了基于图片识别的位移和应变测试方法,基于有限元计算设计了方形试样的几何结构和尺寸.采用所建立的实验方法,测试了硅橡胶在单向拉伸和不同双轴拉伸载荷比条件下的变形和名义应力-伸长率曲线.实验测试与有限元分析结果表明,采用本文所设计的实验方...     

材料超高温动态拉伸SHTB实验方法的有效性分析

针对高温拉伸分离式Hopkinson杆实验技术,通过数值模拟、实验验证以及几种典型材料的高温动态拉伸性能测试相结合的方法,对此实验技术中存在的几个关键问题进行了深入研究。结果表明:对于平板状钩挂式拉伸试样,通过标距段尺寸优化后,应力分布均匀,流动应力曲线与螺纹拉伸试样一致,且应力上升段后没有剧烈跳动;通过精确气动控制,在加载脉冲到来同时,可实现有效的试样快速同步组装和加载;当试样温度为1 200 ℃时,在冷加载杆与高温试样接触以及应力波加载试样的整个过程中,试样平均温度下降约1.3%,而加载杆端温升低于180 ℃。为了验证此实验技术,对3D打印TC4、镍基单晶高温合金DD6进行了最高温度约1 200 ℃时的高温动态拉伸力学性能实验测试。     

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。     

动态拉伸试验中试样应变测试的有效性分析

为了评估将试样通过胶粘连接到加载杆的Hopkinson杆装置所获得试样应变的有效性,对四种强度刚度差异较大的纤维增强复合材料进行了动态拉伸试验。试验时,试样通过环氧胶和杆夹层粘接,试样的应变分别按照Hopkinson杆一维应力波理论计算和试样上应变计直接准确测量得到。结果证明：对小变形碳纤维复合材料,按一维应力波理论计算的应变与试样上直接所测应变值偏差超过100%;对较大变形的GFRP和KFRP层合板,两者偏差小于40%。说明采用Hopkinson杆一维应力波理论计算的试样应变不准确。为修正不准确性,一是通过大量数据分析建立按一维应力波理论计算值与直接测量应变之间的关系式,用此式可使此试验装置获得有效的试样应变;二是借助ABAQUS有限元模拟分析得出粘胶层以及试样过渡弧段的变形,用一维应力波理论计算的应变减去此变形,也可获得有效的试样应变。     

基于巴西盘试验的海冰拉伸强度研究

海冰拉伸强度是其基本力学性能之一, 同时也是冰区船舶与海洋工程结构设计所需的重要参数. 对于脆性材料的拉伸强度测试, 巴西盘劈裂试验相比单轴拉伸试验在试样制备与加载上具有明显的优势. 为研究海冰的拉伸强度特征, 对渤海辽东湾沿岸的粒状冰开展了系统的巴西盘劈裂试验研究. 在加载过程中与试样破坏后, 分别对加载横梁的位移与加载力以及试样最终破坏模式进行了记录. 同时, 对试样的冰晶结构、盐度、温度以及密度进行了测量. 通过改变加载速率、试样厚度与试样温度以研究不同参数对试验结果的影响. 针对传统试验中试样的刚体假设, 考虑了试样变形对应力状态的影响并将其引入了理论模型. 试验过程中所有海冰试样均以劈裂模式破坏. 试验结果表明, 加载速率与试样厚度对拉伸强度的影响并不显著, 但孔隙率的影响较为明显. 当孔隙率由75‰降低至10‰时,拉伸强度由1.0 MPa升高至2.8 MPa. 与单轴拉伸试验所测得数据对比, 巴西盘劈裂试验所得到的拉伸强度随孔隙率的变化趋势相一致. 但该方法所得到的粒状冰拉伸强度要高于预期结果. 试验表明巴西盘劈裂试验中海冰试样的破坏模式与试验结果均较为合理, 可成为海冰拉伸强度的有效测试方法.      

基于巴西盘试验的海冰拉伸强度研究

海冰拉伸强度是其基本力学性能之一,同时也是冰区船舶与海洋工程结构设计所需的重要参数.对于脆性材料的拉伸强度测试,巴西盘劈裂试验相比单轴拉伸试验在试样制备与加载上具有明显的优势.为研究海冰的拉伸强度特征,对渤海辽东湾沿岸的粒状冰开展了系统的巴西盘劈裂试验研究.在加载过程中与试样破坏后,分别对加载横梁的位移与加载力以及试样最终破坏模式进行了记录.同时,对试样的冰晶结构、盐度、温度以及密度进行了测量.通过改变加载速率、试样厚度与试样温度以研究不同参数对试验结果的影响.针对传统试验中试样的刚体假设,考虑了试样变形对应力状态的影响并将其引入了理论模型.试验过程中所有海冰试样均以劈裂模式破坏.试验结果表明,加载速率与试样厚度对拉伸强度的影响并不显著,但孔隙率的影响较为明显.当孔隙率由75‰降低至10‰时,拉伸强度由1.0 MPa升高至2.8 MPa.与单轴拉伸试验所测得数据对比,巴西盘劈裂试验所得到的拉伸强度随孔隙率的变化趋势相一致.但该方法所得到的粒状冰拉伸强度要高于预期结果.试验表明巴西盘劈裂试验中海冰试样的破坏模式与试验结果均较为合理,可成为海冰拉伸强度的有效测试方法.     

滑轨导向式静/动态双轴拉伸实验技术

基于液压伺服高速加载系统,发展了一种材料双轴拉伸力学性能测试技术。利用锥面接触导向驱动方法,把加载锤竖直方向的驱动力转化为水平方向的双轴驱动力,从而实现对十字形试样平面双轴加载。借助有限元数值模拟手段优化了锥面接触角和十字形试样尺寸。当接触锥角为45°时,既有较好的水平驱动转化效率,同时又保持较小的接触力,确保水平驱动加载各组件在弹性变形范围内,可多次重复使用。确定了加载臂狭缝个数、狭缝与减薄区边缘长度和标距段厚度等试样设计关键参数,在十字形试样测试标距段内实现了均匀变形。设计了测力夹持一体化导杆和非接触光学全场应变测试系统,准确获得了试样的应力和应变。利用此平面双轴拉伸加载装置,开展2024-T351铝合金板单轴拉伸实验和激光探测同步性验证实验,验证装置设计的可行性;开展铝合金板材在不同加载速率下的双轴拉伸实验,得到在双轴加载下铝合金板材应力应变曲线,并与单轴加载下实验结果进行了对比分析。     

Full Field Strain Measurement in Compression and Tensile Split Hopkinson Bar Experiments

The 3D image correlation technique is used for full field measurement of strain (and strain rate) in compression and tensile split Hopkinson bar experiments using commercial image correlation software and two digital high-speed cameras that provide a synchronized stereo view of the specimen. Using an array of 128 × 80 (compression tests) and 258 × 48 (tensile tests) pixels, the cameras record about 110,000 frames per second. A random dot pattern is applied to the surface of the specimens. The image correlation algorithm uses the dot pattern to define a field of overlapping virtual gage boxes, and the 3-D coordinates of the center of each gage box are determined at each frame. The coordinates are then used for calculating the strains throughout the surface of the specimen. The strains determined with the image correlation method are compared with those determined from analyzing the elastic waves in the bars, and with strains measured with strain gages placed on the specimens. The system is used to study the response of OFE C10100 copper. In compression tests, the image correlation shows a nearly uniform deformation which agrees with the average strain that is determined from the waves in the bars and the strains measured with strain gages that are placed directly on the specimen. In tensile tests, the specimen geometry and properties affect the outcome from the experiment. The full field strain measurement provides means for examining the validity and accuracy of the tests. In tests where the deforming section of the specimen is well defined and the deformation is uniform, the strains measured with the image correlation technique agree with the average strain that is determined from the split Hopkinson bar wave records. If significant deformation is taking place outside the gage section, and when necking develops, the strains determined from the waves are not valid, but the image correlation method provides the accurate full field strain history.     

高温下轻质泡沫铝动态力学性能实验

对传统的分离式Hopkinson压杆装置加以改进,设计了一种长杆直接撞击Hopkinson杆的实验方案,检测出低波阻抗材料在高温动态加载下的应力均匀性。对轻质泡沫铝材料的实验表明,在同一撞击速度下,温度越高,试件两端的应力均匀性越差,增加温度与提高撞击速度均会导致泡沫铝材料冲击端与支撑端的应力不均匀性。根据高温下应力均匀性的实验结果,确定高温下试件均匀变形对应的冲击速度,再通过传统的分离式Hopkinson压杆实验得出泡沫铝在高温动态下的力学性能。

     

应力平衡和接触状态在Hopkinson杆测试聚合物动态弹性模量中的影响研究

针对用Hopkinson杆试验能否准确测量聚合物动态弹性模量以及其中主要影响因素的问题,本文基于重构试样初始加载阶段的应力波反射透射过程,分别计算了6个特征时间内的前三次反射波和透射波,得到试样的应力平衡度和试样的应力应变曲线。对于所研究的聚合物材料,通过比较重构的应力应变曲线的弹性模量与输入的材料弹性模量,发现在4个特征时间后,误差仅在3%左右。因此试样变形过程中的应力平衡与否不是材料在Hopkinson杆试验中弹性模量测不准的原因。通过环氧树脂试样试验发现,根据Hopkinson杆理论计算的应变结果要大于试样上应变片实测的结果,误差在11%左右。相应的数值模拟研究发现:试样和杆子端面接触状态直接决定着试样弹性模量测量的精度。关于惯性效应和压痕效应的研究也证实它们的影响是可以忽略的。     

Interrupted Test of Advanced High Strength Steel with Tensile Split Hopkinson Bar Method

The phase fraction evolution in a material during quasi-static and dynamic tests can be studied by interrupting the test at predetermined elongation values. While it is straightforward to interrupt quasi-static tests at a predetermined level of elongation, this interruption presents difficulties at high strain rate conditions. In the present paper, an interruption mechanism has been developed to control the elongation of specimens at high strain rate using a modified split Hopkinson tensile bar. This interruption mechanism is based on the interaction between the test specimen and the external interruption device. The influence of the designed external device on the stress waves and also the ability of the system to support the interruption of the deformation process were considered in the numerical analysis and verified by the experimental results. Finally, the influences of strain and strain rates on the volume fraction evolution of the retained austenite in quenched & partitioned steel were reported.     

A tension split Hopkinson bar for investigating the dynamic behavior of sheet metals

The dynamic response of sheet metals at high strain rate is investigated with a tensile split Hopkinson bar test using plate type specimens. The tension split Hopkinson bar inevitably causes some errors in the strain at grips with the plate type specimens, since the grip and specimens disturb the one-dimensional wave propagation in bars. To validate the experiment, the level of error induced from the grips is estimated by comparing the waves acquired from experiments with the Pochhammer-Chree solution. The optimum geometry of the specimen is determined to minimize the loading equilibrium error. High strain rate tensile tests are then performed with auto-body sheet metals in order to construct their appropriate constitutive models for use in crash-worthiness evaluation.     

大理岩动态拉伸强度及弹性模量的SHPB实验研究

提出了获取脆性材料动态拉伸强度及弹性模量的实验步骤及相关记录数据的分析方法。利用直径为100mm的分离式Hopkinson压杆径向冲击巴西圆盘和平台巴西圆盘试样,测试了大理岩在高应变率加载下的动态力学性能。应力波加载下动态劈裂拉伸圆盘在试样中心产生了约45/s的拉伸应变率。分析了实验的有效性并考虑了试样两个端面应力波波形差异的影响以提高实验结果的精度。结果表明准静态下的公式可适用于动态劈裂拉伸实验;大理岩的动态拉伸强度及弹性模量比静态时有明显的增加。     

Optical measurement of the specimen deformation at high strain rate

During recent years, the investigation of the strain-rate-dependent properties of materials has become more and more important. The experimental techniques used to establish the specific dynamic behavior of materials all have in common that the acquisition of information concerning the deformation of the specimen is cumbersone and often questionable. Mostly, only limited information on the spatial distribution and time evolution of the deformation in specimen can be obtained. In this paper, a non-contact, optical technique is presented, providing the time evolution and spatial distribution of the axial deformation in specimens during a high strain rate test. The deformation of a line grid attached to the specimen is recorded during an experiment by means of a rotating drum camera. The time history of the axial displacements is subsequently derived by an advanced technique based on digital geometric moiré combined with a phase-shift method, specially developed to this purpose. The technique can be applied to a wide range of materials and high strain rate tests, and is illustrated by means of a split Hopkinson tensile bar experiment on a steel sheet specimen.     

不同尺寸砂岩动态力学性质和应力平衡性的试验研究

采用大直径分离式霍普金森压杆系统获得的不同尺寸试样的实验冲击动态力学参数有差异,因此在直径100 mm压杆上进行了3种直径（50、75和100 mm）和5种长径比（0.4、0.5、0.6、0.8和1.0）的砂岩试样冲击试验,分析了不同尺寸试样应力-应变曲线和应变率曲线随尺寸的变化,提出了用于比较波形对齐重合度的波形叠加系数,并与应力平衡因子共同构建了动态应力平衡性研究体系,由此确定大直径霍普金森压杆试验的试样建议尺寸。同时,利用高速摄影机监测试样的动态破坏状况。结果表明:当长径比相同时,直径75与100 mm岩石试样的动态抗压强度测试值相近,直径50 mm试样具有更明显的长度效应;随着试样直径的增大,应变率曲线从单峰变为双峰;小尺寸试样更易发生轴向劈裂破坏,大尺寸试样受内部应力波叠加影响产生了较大的拉应力,易发生层裂拉伸和轴向劈裂的复合型破坏;对直径75 mm且长径比0.3~0.4的试样,波形对齐后重合度较高,在起始破坏前拥有充足的应力平衡时间,应变率加载效果较好。获得了砂岩试样冲击压缩试验的尺寸效应,可为大直径岩石试样的尺寸选择提供参考。