基于数字图像相关方法对冲击载荷下泡沫铝全场变形过程的测试

应用分离式霍普金森压杆(以下简称SHPB)和高速摄影装置研究了冲击载荷下泡沫铝试件全场变形的测量方法。使用SHPB对泡沫铝试件进行冲击压缩实验,同时用高速摄影装置对实验过程进行全程跟踪拍摄。将得到的高速摄影图像采用数字图像相关方法进行分析,由此可得到冲击压缩过程中泡沫铝试件全场应变的分布和变化规律。此研究揭示了冲击载荷下泡沫铝试件局部化变形的发展过程,为研究泡沫铝在不同冲击载荷下不同变形模式的内在机制提供了新的可靠的方法。     

外载荷作用下水泥砂浆复合材料中的弹性波波速分析

为研究水泥基复合材料中弹性波频散特性,应用主频分别为50kHz、300kHz和1MHz三种声波探头,对钢纤维体积含量分别为0.5%、1.0%和3.0%的三种钢纤维增强水泥砂浆试件进行了单轴压缩下的弹性波测试实验。结果表明:在加载初始阶段,P波波速随着载荷增大而明显增大,但这种增大趋势逐渐减弱,并达到一个较稳定的值。随着钢纤维体积含量增加,波速有增大趋势。S波具有类似趋势,但其增幅比P波小得多。三种材料均表现出一定的频散效应。为消除材料在初始加载过程的非线性特性影响,采用了相对波速的方法,并讨论了相对波速的频散效应。结合多组份未胶结模型和Hashin-Shtrikman上限模型,应用一种无量纲理论模型,对比分析了弹性波波速频散规律。     

不同冲击速度下泡沫铝变形和应力的不均匀性

利用常规Hopkinson杆实验装置和改进的Hopkinson杆实验装置对泡沫铝试件进行冲击压缩实验,同时用高速摄影装置对实验过程进行全程跟踪拍摄。通过改变冲击速度,观测到了3种不同的变形模式。将得到的高速摄影图像用数字图像相关方法进行分析,讨论了3种模式下全场应变不同的发展过程,并依此讨论应力的不均匀性,为研究不同冲击速度下变形不均匀对泡沫铝动态力学行为的影响提供了新的方法。     

不同应变率下泡沫铝的形变和力学性能

对低密度泡沫铝在不同变形率下的形变和力学性能进行了系统的试验研究。结果表明:（1）沿剪切方向骨架首先塌陷,即变形的局部化是低应变率下块体泡沫铝的主要变形特征;（2）在不同应变率下泡沫铝表现出体积应变基本上随工程应变呈线性变化,在低应变率下泊松比随轴向应变呈幂次关系增加,但在高应变率下泊松比随塑性应变增加,从一峰值降低并趋于稳定;（3）低应变率下泡沫铝材料塑性变形均匀,而高应变率下剪切变形较大;（4）泡沫铝材料的强度对应变率不很明显,但随塑性应变增加,它的率敏感性增加。     

冲击条件下泡沫铝的细观变形特征分析

利用SHPB-高速摄影机系统,拍摄到了泡沫铝细观结构在SHPB冲击过程中的变形,分析了试件 的应变分布及破坏模式。研究表明,泡沫铝试件在SHPB冲击过程中应变分布是不均匀的,试件两端的应变 和应变率远大于中间部分的应变和应变率,即在SHPB实验过程中泡沫铝试件不能严格满足均匀性变形假 定。因此,需要考虑对用SHPB方法测量泡沫金属动态力学性能方法进行必要的修正。     

泡沫铝内衬对抗内部爆炸钢筒变形的影响

为提高承受内部爆炸载荷钢筒的抗爆性能,研究了泡沫铝内衬对钢筒变形的影响。首先通过对比实验,发现在本文的实验条件下,泡沫铝内衬导致钢筒变形增大,甚至发生了严重的破坏;进而建立有限元模型,研究了钢筒变形随爆炸当量、泡沫铝内衬厚度的变化机理和规律。结果表明,添加足够厚度的泡沫铝内衬能够减小钢筒变形,但泡沫铝厚度不足时,则可能起到相反的效果。对于固定尺寸的含泡沫铝内衬钢筒,随着爆炸当量增加,泡沫铝内衬对钢筒塑性变形的影响主要包含3种模式。模式1,泡沫铝可通过塑性变形吸收爆炸载荷,从而减小钢筒变形。模式2,泡沫铝内衬导致钢筒承受的载荷强度增大,钢筒塑性变形增大。模式3,泡沫铝对载荷强度的影响可忽略,泡沫铝通过增大结构质量减小钢筒塑性变形。     

基于Lamb波频散特性的薄板声发射源定位方法研究

声发射源时差定位方法中波速的确定是定位准确的关键问题,根据模态声发射理论,声发射信号在薄板内的传播过程中具有频散现象和多模态特性.不同频率不同模态的声波其传播速度不同.基于Lamb波频散特性和声发射检测技术,采取时频联合分析方法对铝薄板中声波模式进行识别;利用低频段频散不明显的扩展波的波速和同一频率同一模态波到达两传感器的时间差来实现声发射源的准确定位;通过铝薄板中AE源定位实验表明,采用S0模式,即扩展波的波速进行定位计算,可以比较准确地确定声发射源的位置,而且理论值与实际值相差很小.     

泡沫铝率相关性能的有限元模拟

构建了三维随机分布球形泡孔模型,模拟开、闭孔混合结构泡沫铝材料的微细观结构,并通过有限元方法计算了10~104 s-1应变率范围内、孔隙率35%~65%泡沫铝材料的率相关性以及应变率和相对密度变化对泡沫铝动态压缩力学性能的影响。研究表明:中、低应变率下,泡沫铝材料率相关性能主要取决于基体材料的应变率敏感性;高应变率下,泡沫铝材料率相关性能受基体材料的应变率敏感性以及微结构惯性联合作用,且相对密度较低泡沫铝材料的微结构惯性效应更显著。     

应力波在多层膜状材料中衰减特性的实验研究

脉冲载荷作用下,多层膜状材料衰减应力波的特性及其规律研究在工程结构设计中具有重要意义。本文采用分离式Hopkinson压杆(以下简称SHPB)装置,从实验角度对多层石英布和多层"石英布+聚酯铝膜"两种不同结构类型膜状材料衰减应力波特性进行研究。分析了透射应力波及应力冲量随多层膜状厚度变化的关系。通过对实验数据的拟合,给出了多层膜状衰减应力波能力和材料厚度以及材料结构的数学表征。研究结果表明,两种不同结构的多层膜状材料应力波衰减随厚度的变化关系都遵循指数衰减规律,而具有"多层石英布+聚酯铝膜"叠层结构的材料对应力波的衰减能力略强于单一多层石英布材料。本研究可作为工程应用多层膜状材料衰减应力波的实验依据。     

双模量泡沫铝芯夹层梁的自由振动分析

对模量泡沫铝芯夹层梁的固有振动问题进行了研究。利用双模量的材料应力-应变方程,推导出了双模量材料剪切弹性模量计算公式,证明了双模量梁中性轴位置不受作用在梁上的横向载荷的影响。在考虑剪切变形的基础上,建立了双模量泡沫铝芯夹层梁的强迫振动控制方程,推导出了双模量泡沫铝芯夹层梁固有振动问题的振型函数及固有频率计算公式,并分析了剪切变形及泡沫铝芯夹层的拉压弹性模量对双模量泡沫铝芯夹层梁固有振动频率的影响。研究表明:泡沫铝芯夹层梁固有振动时,其固有振动波形是不连续的,奇数波型与偶数波型之间存在间断点;剪切变形及泡沫铝芯夹层的拉压弹性模量对双模量泡沫铝芯夹层梁固有振动的影响是不能忽略的。     

高孔隙率闭孔泡沫铝的低应变率压缩行为

通过落锤冲击实验研究高孔隙率闭孔泡沫铝的动态压缩性能及抗低速冲击特性, 同时通过高速摄影仪观察试件的动态压缩行为, 并记录落锤冲击速度的衰减过程. 结果表明, 高孔隙率闭孔泡沫铝的抗冲击缓冲效果明显, 且在低速冲击条件下其变形特征与准静态变形类似. 采用有限元方法分析了落锤和泡沫中应力的分布特点以及表面摩擦系数对应力分布的影响. 由于摩擦力阻碍了接触面处泡沫的横向位移, 致使其压缩外形呈``鼓形'; 在低速冲击时, 应力在泡沫铝试件内部的传播周期远小于冲击的缓冲时间, 应力波现象并不明显, 应力的变化与准静态压缩时相似. 在考虑接触面上摩擦力的基础上, 通过第2类Lagrange方程建立了落锤-泡沫材料的碰撞解析模型, 将预测的落锤冲击速度的衰减过程分别与实验和有限元结果进行比较, 取得了较为一致的结论, 并进一步讨论了不同冲击速度和材料参数对冲击过程的影响.      

应力调整对石英玻璃珠低速冲击破碎行为的影响

结合高速摄影技术,应用SHPB加载装置,分别使用钢制、铝制和有机玻璃制3种透射杆,对直径约7.90、11.80、15.61 mm 3种尺寸的石英玻璃珠进行了低速冲击实验。根据不同透射杆条件下的玻璃珠破碎过程中的载荷-位移曲线,结合有限元软件计算玻璃珠在冲击作用下载荷的变化情况以及实验过程中玻璃珠的应变,探讨了应力调整对玻璃珠破碎过程的影响。结果表明:相同冲击条件作用下,改变透射杆的材料,会改变玻璃珠破碎过程中的载荷分布,即透射端边界波阻抗的改变会导致反射波发生改变,从而导致玻璃珠内部载荷发生变化;透射杆为铝材和有机玻璃材质时,玻璃珠在破碎过程中的载荷明显下降,在加载过程中伴随着垫块的变形,玻璃珠内部的应力调整时间变长;透射杆为钢杆时,玻璃珠的应变主要表现为两端最大,越靠近中间应变越小,对于透射杆为铝杆和有机玻璃杆的玻璃珠,透射端局部出现了卸载行为。采用有机玻璃透射杆之后,局部应力和变形降低的结果使得玻璃珠在经受较大的变形之后发生破碎,表明玻璃珠的破碎行为由局部变形和局部变形梯度共同控制。     

Aluminum foam-filled extrusions subjected to oblique loading: experimental and numerical study

The behavior of empty and foam-filled square thin-walled aluminum columns in alloy AA6060 subjected to quasi-static oblique loading was examined. Previous studies have shown that by introducing a load angle, the energy absorption decreases drastically compared to axial loading. One of the main objectives of the present investigation was to study the effect of introducing aluminum foam filler on the energy absorption. The square columns were clamped at one end and oblique load conditions were realized at the other end by applying a force with different angles to the centerline of the column. An experimental program was carried out where the main parameters were load angle, foam density and heat treatment of the extrusion material. Additionally, numerical analyses of the experiments were performed, mainly to verify a numerical model of the obliquely loaded foam-filled columns. The foam was modeled with the foam model of Deshpande and Fleck, together with a simple fracture criterion, which previously has been implemented as a user subroutine in LS-DYNA. The study shows that high-density aluminum foam filler increases the energy absorption considerably, but the specific energy absorption is lowered compared to the empty cross sections. Furthermore, the numerical analyses were able to predict the experimental results with reasonable accuracy.     

温度对灰砂岩物理特征及抗拉强度影响的试验研究

为研究温度对灰砂岩物理特征及抗拉强度的影响,利用对径压缩试验对经历不同温度的灰砂岩圆盘试件的力学特性进行分析,结合动态信号测试分析系统实时监测并记录试件中部侧向应变,采用非金属超声检测分析仪、SEM等手段对经历不同温度的灰砂岩纵波波速、微观结构等特征进行表征。试验结果表明:1高温导致灰砂岩质量与纵波波速分别降低了3.83%与50.03%,损伤程度逐渐增大,且在经历温度为600℃时发生突变;2灰砂岩抗拉强度随经历温度的升高而减小,近似服从负线性分布,峰值压缩变形量与峰值侧向应变均随经历温度的升高而增大,在经历温度为600℃时发生突变;3高温导致试件颜色由灰白色变为淡黄色,断面起伏度降低,裂隙数量与裂隙类型增加。上述研究成果可以为热作用下地下结构稳定性的研究提供参考。     

约束层对金属柱壳膨胀变形影响的数值模拟

对金属铝和硬质聚氨酯泡沫组合的约束层对45钢柱壳膨胀断裂性能的影响进行了数值模拟,得到三种约束条件下45钢柱壳在膨胀过程中表面的速度和位移历史剖面,对比分析了在约束层作用下45钢柱壳膨胀变形动态行为。利用高速分幅相机及中能X光机获得了多个时刻45钢柱壳的动态图像和柱壳膨胀后的工程应变,实验结果与数值模拟结果吻合。结果可对爆轰加载下约束层对45钢柱壳膨胀变形的物理规律进行定量认识。     

泡沫塑料中冲击波的传播

在现有 Ｓ Ｈ Ｐ Ｂ技术的基础上,将泡沫塑料作为子弹撞击铝杆,利用铝杆上的应变片测得的应力波形及泡沫塑料的应力应变曲线,合理地分析了冲击波在泡沫塑料中的传播特性,并提出了泡沫塑料中的破坏波（压实波）概念。     

PVC发泡板受力前后微观表面形貌变化规律的AFM实验研究

本文从微观角度对软质材料之一的PVC发泡板表面形貌与承受压载之间的关系进行实验研究.应用Veeco原子力显微镜(AFM),选取全新的1cm×1cm大小的PVC实验样品,轻轻地放置于AFM样品台上.先测试和记录一定范围内的没有压载作用时试件的微观表面形貌,然后依次测试和记录承受过一定数目压载情形下的表面形貌.其中,压载通过标准计量的砝码实现,重复多次实验,将实验数据进行统计分析.结果显示,经压载作用后,PVC的微观表面特性变化明显.随着压载荷的增加,样品微观表面的高度变化量、平均高度、粗糙度等明显增加,截面起伏度也越加明显.本实验结果对于PVC材料宏观承载应用及其微观结构变化机理等方面的研究将具有一定的参考意义.