冲击加载下材料应力应变曲线振荡现象的研究综述

在冲击加载下获得的材料应力应变曲线往往具有显著的振荡,长期以来由于很难判断振荡的真伪,即不确定振荡是试样材料的本征特性还是纯粹的机械加载等带来的影响,故曲线的振荡往往没有从真实应力应变曲线中直接消除。但这种振荡的存在掩盖了真实的材料响应,导致很难准确确定材料的动态屈服强度,也影响了材料动态本构关系的建立及本构模型参数的准确性,这对重大装备工程在冲击载荷下的优化设计及安全可靠性带来不利影响。针对这个长期困扰科研和工程技术人员的普遍性问题,本文综述了冲击加载下材料应力应变曲线振荡现象的研究进展,首先从加载系统设计、应力波传播、试样变形分布等方面分析了动态测试曲线中出现振荡的原因;其次依据振荡成因重点论述了抑制或消除振荡现象的方法;最后总结了现阶段研究的突出问题,并对未来发展方向提出一些建议。     

岩石单轴冲击加载破碎特征分析

采用改进后的立式机架结构Φ50mm分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,研究并分析了火山碎屑岩、砂岩在不同冲击气压下的破坏特征差异和原因以及最大峰值应力.结果表明:岩石破碎的最大峰值应力与冲击气压呈线性增长关系;硬度和脆性较高的火山碎屑岩以劈裂破坏为主,硬度不高、塑性较强的砂岩以压碎破坏为主;砂岩独特的破碎形式与应力波的弹性固定端反射条件相关,岩石的破坏形式与破碎形态的差异、岩石自身性质、应力波密切相关.     

基于超材料的动态压剪复合加载实验新技术

材料或结构在动态压剪复合加载条件下的力学性能对于其工程应用具有重要影响。然而,现有的动态复合加载实验技术存在压缩波和剪切波难以同步施加到试件、实验设备昂贵等问题。本文中利用压扭超材料进行应力波转化,在一维分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）上实现动态压剪同步复合加载。该实验技术具有荷载精准同步、剪压比可控、简单便捷、低成本等优点。针对当压扭超材料转化出来的扭转波幅值较大,透射杆惯性约束不足情况下出现的扭转信号三角波的问题进行详细讨论,并提出相应的解决方案。选用屈服应力各不相同的金属钛、304不锈钢和316L不锈钢等3种材料进行了实验测试,证实了动态压剪同步复合加载技术的有效性。借助有限元模型,深入分析压扭超材料的几何参数对其压扭系数及承载能力的影响,并结合实验结果讨论了该实验技术的适用范围,预测动态压剪同步复合加载技术能测试的材料强度可达约1 GPa,施加给试件的剪压比可达1.18。

     

静力预加载结构冲击屈曲的突变模型

基于突变理论给出静力预加载弹性结构冲击屈曲的准则,并将其用于处理Budian-sky-Hutchinson简单力学模型的冲击屈曲分析和受扭圆柱壳的冲击扭转屈曲分析,给出了临界载荷的求解公式。     

压剪复合平板冲击加载技术进展及其应用

自20世纪70年代末发明压剪炮以来, 压剪复合冲击加载实验技术和诊断技术有了长足进展, 应用也日益广泛.由于压剪联合加载波直接反映了材料的动态剪切特性, 对于认识材料的屈服、损伤演化、失效、相变、界面滑移等动态行为和机理, 构筑更全面的本构模型能够提供必要的附加信息.本文主要讨论气炮实验中压剪复合应力波的产生方式, 诊断技术, 以及在压剪复合塑性波和动高压本构模型、聚合物压剪冲击行为、剪切波跟踪法(SWT)和水泥基复合材料的损伤和失效、界面动摩擦行为、冲击相变、动态损伤和断裂等方面的研究与应用进展.     

应用MS材料试验机对高能材料进行快速加载的试验研究

介绍了开发ＭＴＳ材料试验机应用于快速加载的高能材料动态力学的试验方法，研究了方波信号的频率对加载速率的影响，开发了低周疲劳试验机在冲击载荷下用于固体炸药在不同温度下的单轴，三轴材料动态力学性能研究的功能，得出了应变速率达到４／ｓ。     

高速运动条件下玄武岩摩擦系数的实验研究

在MM－1000型摩擦磨损试验机上采用不同试验条件对玄武岩试件进行了高速摩擦试验研究,结果表明：摩擦表面载荷、运动速度以及摩擦速度以及摩擦表面特性等因素均对摩擦系数产生影响;摩擦系数随载荷的增大呈现减小趋势;对于饱和吸水试件,摩擦系数随运动速度增大持续降低;在其它试验条件下,饱和吸水试件的动摩擦系数比干燥试件明显要低。     

分级加载条件下紫色泥岩三轴蠕变特性研究

流变性质是岩石材料的重要力学特性,以紫色泥岩为例,在分级加载条件下研究了其三轴蠕变特性。采用自行研制的重力杠杆式岩石蠕变实验机,并配备三轴压力室,对紫色泥岩实施分级加载三轴蠕变实验。实验结果表明,紫色泥岩在相同轴压条件下,围压越大,瞬时弹性变形和蠕变变形越小;在相同围压条件下,轴压越大,二者变形越大。紫色泥岩的蠕变速率具有相同的变化趋势,且在相同轴压条件下,围压越大,稳定蠕变阶段的蠕变速率越不明显。另外,应力与瞬时应变线性拟合结果表明,瞬时轴向应变与轴向荷载近似成比例增长。通过分析紫色泥岩蠕变曲线变化趋势,认为采用H/M模型进行模拟较为合理。并且采用MATLAB软件非线性回归分析进行模型参数拟合,最后得到实验曲线与理论曲线的最大误差在2e-5左右。证明采用的H/M模型能较好地描述紫色泥岩的蠕变特性。     

适用于自洽强度方法的冲击加载-再加载实验技术

针对自洽强度方法存在的冲击加载-再加载的难题,提出了一种采用较高硬度材料为支撑制作组合飞片的简便方法。利用该方法获得了铝、锡和锆基金属玻璃较理想的冲击加载-再加载粒子速度剖面,验证了该方法的有效性。由本文获得的冲击加载-再加载粒子速度剖面,并根据自洽方法,计算得到了铝、锡和锆基金属玻璃再加载过程剪应力变化数据。进一步分析表明,在本文涉及的压力范围内,仅由冲击加载-卸载实验得到的铝、锡和锆基金属玻璃屈服强度将比实际结果降低20%~50%。因此,在采用自洽方法计算高压强度时,冲击加载-再加载数据不可或缺。     

碳质双层纸基摩擦材料的摩擦磨损性能研究

采用抄纸工艺制备碳质双层纸基摩擦材料,采用惯量摩擦试验方法研究双层纸基摩擦材料的摩擦磨损性能.结果表明:碳质层的摩擦力矩在制动初期上升较快,中间过渡区平稳,尾部翘起较小;在制动压力小于0.28 MPa时静摩擦系数小于动摩擦系数,且动、静摩擦系数均随制动压力增加而减小;相对纤维层而言,采用碳质层摩擦时摩擦力矩曲线形态更好,连续制动时摩擦系数波动较小,磨损率低且能够有效保护偶件,是1种静/动摩擦系数比较低且适用于高载荷工况条件下使用的摩擦材料.     

行波型超声电机定子摩擦材料的研制及其摩擦磨损性能研究

针对超声电机的工作特性,以环氧树脂为基体,石墨、三氧化二铝和聚四氟乙烯等为填料,采用粘涂法研制出行波型超声电机定子用摩擦材料,与同种转子摩擦材料进行了对比试验研究.结果表明:所研制的定子摩擦材料在Φ60超声电机中具有良好的机械特性,工作频率明显变宽,半峰宽提高2倍左右,可以提高电机的工作稳定性;随着预压力增加,定子摩擦材料在超声振动条件下的摩擦系数降幅变小,其磨损机制主要为粘着磨损和疲劳磨损.     

炭纤维对纸基摩擦材料摩擦磨损性能的影响

研制了几种炭纤维增强纸基摩擦材料,采用热分析仪和惯量摩擦试验机研究了炭纤维含量同摩擦材料的耐热性能和摩擦磨损性能的相关性.结果表明:炭纤维含量对摩擦材料的耐热性能、动摩擦系数、静摩擦系数和磨损率有较大影响;随着炭纤维含量增加,摩擦材料的起始分解温度升高,热分解速率减慢,动摩擦系数呈增大趋势,静摩擦系数和磨损率呈现减小趋势;当炭纤维含量超过5%时,动摩擦系数达到0.13左右且保持恒定;当炭纤维含量超过10%时,静摩擦系数降至0.15左右且保持恒定,纸基摩擦材料的体积磨损率小于4.5×10-8cm3/J.     

增强纤维对陶瓷基摩擦材料摩擦磨损性能的影响

采用热压烧结法制备纤维增强陶瓷基摩擦材料,研究了钢纤维、钢纤维/莫来石纤维、莫来石纤维、钢纤维/硅酸铝纤维以及硅酸铝纤维增强陶瓷基摩擦材料的摩擦磨损特性.研究结果表明:不同纤维对陶瓷基摩擦材料摩擦系数的影响较为复杂.相比较添加单一纤维增强摩擦材料的情况,钢纤维增强的试样具有较好的耐磨性能,其次为莫来石纤维增强的试样,硅酸铝纤维增强的试样表现出最差的耐磨性能,钢纤维/莫来石纤维和钢纤维/硅酸铝纤维增强试样的磨损均低于相应的陶瓷纤维增强的试样;在高温下以莫来石纤维增强的试样,其磨损形式以磨粒磨损为主,而以硅酸铝纤维和钢纤维/硅酸铝纤维增强的试样的主要磨损形式为黏着磨损,钢纤维和钢纤维/莫来石纤维增强的试样的磨损属于磨粒磨损和黏着磨损.     

酚醛纤维增强纸基摩擦材料的性能研究

采用湿式成型工艺制备出5种不同酚醛纤维含量的纸基摩擦材料,研究了酚醛纤维含量对纸基摩擦材料各项性能的影响.通过力学试验机测试了材料剪切强度和压缩-回弹性能,利用同步热分析仪和湿式摩擦试验机测试了材料热性能及摩擦磨损性能,通过扫描电镜观察材料摩擦表面和剪切断裂面的微观形貌.结果表明:随着酚醛纤维含量的增加,材料层间剪切强度逐渐提高,而压缩率变化较小,回弹率先增大后减小;材料耐热性随酚醛纤维含量的增加而降低;随着酚醛纤维含量的增加,磨损率逐渐降低,同时摩擦系数保持稳定.     

非组分黏接剂对纸基摩擦材料摩擦磨损性能的影响

为了研究黏接剂对纸基摩擦材料摩擦磨损性能的影响,以改性酚醛树脂作为黏接剂,通过高精度天平测定涂胶量,由平板硫化机固定黏接压力得到不同涂胶量的试样.利用光学显微镜观察黏接剂的渗透情况,通过惯量摩擦试验机研究涂胶量对纸基摩擦材料摩擦磨损性能的影响.试验结果表明:随着单位面积涂胶最的增加,黏接剂渗入摩擦材料的深度逐渐增大,对于厚度不大于1.0 mm的纸基摩擦材料,黏接剂可渗透材料并影响其摩擦磨损性能.随着渗透至摩擦面胶量的增加,摩擦材料的制动平稳性逐渐变差,动摩擦系数降低,静摩擦系数升高,磨损率先减小后增大.     

Interference of a Bow Shock with an Oblique Shock and an Isentropic Compression Wave

The features of the flow in the zone of interaction between a plane bow shock and an oblique shock or an isentropic compression wave are studied. The limiting interaction regimes are considered analytically, the similarity conditions are formulated, and the limiting values of the flow parameters are determined for the high-pressure compressed gas jet formed in the interference and for the body surface. On the basis of a numerical solution of the Euler equations the flow specifics in the neighborhood of the spreading line on the body are determined and ways of reducing the dynamic and thermal loadings on this line are proposed.     

Numerical Study of a Turbulent Flow Compressed by a Weak Shock Wave

Abstract

Modification of a two-dimensional isotropic trbulent flow by passage of a weak shock wave was numerically studied by the explicit spectral collocation method with the fourier series in the ranges of M₁ = 0.14?0.21 and M_s = 1.06?1.14. The density 1 trbulent kinetic energy increased by 10 to 19 % and density fluctuation increased by 14 to 50 % in proportion to the shock wave mach number. The amplification of turbulent kinetic energy did not change by increase of the turbulent Mach number, while that of density fluctuation decreased from1.35 to 1.15%. The argumentation of turbulent kinetic energy appeared at moderate and high wave numbers of energy spectra and resulted in a reduction of the integral scale by3.33 to 5.4%. Modifications mechanisms of turbulent kinetic energy, density fluctuation and vorticity were verified by the transport equations It was shown that the decreased amplification of the density fluctuation In the increased trbulent Mach number attributed to the unchanged production terms and the negative dilatation correlation behind the shock wave.the vorticity-dilatation term was responsible for more than 80 % of the total vorticity production at the shock front.     

Collective Bow Shock Ahead of a Transverse System of Spheres in a Supersonic Flow Behind a Moving Shock Wave

The results of investigating the dynamics and physical conditions of formation of a collective bow shock ahead of a system of spheres with the line of centers normal to the supersonic flow behind a traveling shock wave are presented. Two types of shock-wave patterns that necessarily precede the formation of the collective shock wave and correspond to regular and Mach interaction of the bow shocks were detected experimentally. On the basis of a local gasdynamic-discontinuity interference theory, quantitative criteria of the existence of these regimes and of the formation of a common shock wave are determined. These criteria are confirmed in a series of experiments for the transitional regimes.