恒定高应变率拉伸条件下泡沫金属力学性能

为了探究泡沫金属恒定应变率动态拉伸力学行为,基于3D Voronoi模型,采用双向拉伸加载方式和1.55倍等效胞孔直径高度的试件,实现了5000 s⁻¹恒定高应变率动态拉伸条件下泡沫金属力学性能测试数值模拟实验,模拟结果显示：动态拉伸过程满足应力均匀性和变形均匀性要求,且试件破坏位置合理;在恒定应变率（0.5～5000 s⁻¹）动态拉伸时,泡沫金属的破坏应变基本不受应变率的影响;当应变率不超过500 s⁻¹ 时,破坏应力受应变率影响很小,当应变率在 500～5000 s⁻¹ 时,破坏应力随着加载速率的增大而线性增大。     

高应变率下ZrB2-SiC陶瓷复合材料压缩力学性能实验研究

采用分离式霍普金森压杆装置,测试了高应变率下ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料的动态压缩力学性能,应变率范围为900s^-1~3000s^-1。结果表明:ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料的动态压缩强度与临界应变均随应变率的增大而增加,2950s^-1时压缩强度与临界应变比981s^-1时分别增大了88.72%和148.85%;应变率对ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料的动态压缩应力-应变曲线与破坏机理影响显著,应变率为1134s^-1时,ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料破坏模式以裂纹扩展为主,应变率为2861s^-1时,多裂纹扩展为该材料的主要破坏机理;应变率越高,试件的损伤程度越大,压缩试件碎片尺寸越小,压缩应力-应变曲线的非线性越明显。     

低加载应变率下页岩力学特性试验研究

利用室内三轴试验获取页岩破坏的典型应力应变曲线。试验结果表明:在所设定的应变率范围内,低围压条件下(10 MPa,30 MPa),峰值强度随应变率升高呈增大的趋势;在高围压的条件下(50 MPa),页岩的应变率效应减弱甚至丧失;随着加载的应变率减小和围压增加,页岩破坏模式由脆性劈裂—剪切破坏向单一剪切破坏转变,页岩的脆性特征被弱化。通过试验结果分析,研究了应变率对页岩内部能量转化、损伤演化的影响规律,可为我国页岩气的大规模开采提供一定的指导理论与方法。     

高应变率下计及损伤演化的材料动态本构行为

材料在高速变形过程中常常伴有不同形式的内部缺陷或微损伤的演化。大量的实验观察表明,损伤演化同时依赖于应变、应变率和温度,而且高应变率和低温之间有某种等价性。由此基于热激活机制,提出了同时依赖于应变率和应变的微损伤演化律,及相应的计及损伤弱化效应的率型本构关系。以聚丙烯/尼龙（PP/PA）共混高聚物为例,具体研究了其计及损伤演化的ZWT本构关系,并区分其率相关的本构响应及率相关的损伤演化响应。     

高应变率下铁锰铸造合金正向和反向应变率效应的研究

对两种铁锰铸造合金在准静态和冲击动态下进行了宏观与微观相结合的试验研究。实验结果表明 ,在准静态下 ,铁锰铝硅合金的强度高于铁锰铝合金 ,但在高应变率动态加载下 ,铁锰铝合金的强度反而高于铁锰铝硅合金。铁锰铝合金表现出很强的应变率强化效应 (正向应变率效应 ) ,而铁锰铝硅合金表现出应变率无关或应变率弱化效应 (反向应变率效应 )。随着应变率的进一步提高 ,两者又都存在一定程度的应变率弱化倾向。根据这一现象 ,着重对高应变率下的绝热温升所致热软化、内部损伤的率相关演化、以及应力诱变马氏体相变等方面进行了探讨。     

玻纤增强复合材料高应变率拉伸实验研究

利用爆炸膨胀环实验技术,对玻璃纤维增强复合材料(GFRC)进行了高应变率(104s-1)下力学性能研究。实验中使用铜丝汽化引爆装药的方法对驱动环进行能量加载,并采用激光速度干涉仪(VISAR)测量试样环自由膨胀的质点速度,实现了玻璃纤维增强复合材料在104应变率下的一维拉伸破坏,并获取了该材料的速度时间曲线。经过计算得到了材料的应力应变关系,最后与该材料在准静态下、中高应变率下实验得到的数据进行了比较。     

纤维增强复合材料高应变率拉伸实验技术研究

本文对基于分离Hopkinson杆的反射式纤维增强复合材料动态拉伸实验技术进行了研究讨论。对加载杆中可能影响拉伸应力波波形实验分析的所有干扰波进行了较系统地定量分析研究,认为产生于试样端头与加载杆界面处的两主要干扰波对希望得到的应力波的测量和判别具有严重的不利影响,因此拉伸实验设计必须避开该主干扰波的重叠影响。文中对动态拉伸实验装置、实验要求及信号采集等作了分析。根据对试验结果的分析,针对复合材料动态拉伸实验技术的若干问题提出了一些处理方法和建议,诸如干扰波的规避、冲击信号合理测点的选取、加载杆长度匹配、复合材料拉伸试样的设计要求以及加载连接等问题。这些方法和建议包括在加载杆特定段上贴应变片,考虑到实验的准确性一般不用反射波进行数据计算处理,尽量缩短试样标距等。     

聚合物在高应变率下的动态力学性质实验研究

介绍了利用一种新型的落重和高速摄影实验系统对三种常见的聚合物（ＰＣ,ＰＥＫ和ＰＥＥＫ）在高压应变率下的力学性质的研究结果。所使用的实验系统在常规落重装置的基础上,增加了高速摄影系统,实现了应力和应变过程的同时测量。从而使得在一次实验中可同时获得应力和应变数据,避免了这类实验中常用的变形过程中体积不变的假设,使得结果更加可靠,并可验证材料的泊松比。给出了上述三种聚合物在常温下的真应力与自然应变的关系。结果表明,在室温下,当应变率约为１０００ｓ－１时,这三种材料的屈服应力分别为１２８ＭＰａ,２０４ＭＰａ,和１８０ＭＰａ。三种材料均具有很好的冲击韧性,断裂应变均在５０％以上。对不同环境温度下,ＰＥＥＫ的实验结果表明,随温度的增加,屈服应力将下降。     

高应变率加载下材料的损伤破碎规律

对材料损伤破碎规律的分析是研究材料损伤断裂行为的一种有效途径。本文着重介绍了高应变率加载下材料损伤破碎规律的研究进展、基于损伤断裂机理的研究以及材料损伤破碎过程自相似性的分形理论研究,讨论了材料损伤破碎规律与材料自身属性和外部加载条件的相互关系。     

Ti-6Al-4V在高应变率下的动态剪切特性及失效机理

采用基于霍普金森压杆的新型加载技术对Ti-6Al-4V材料的动态剪切特性及失效机理进行了测试研究。获得了Ti-6Al-4V材料在超过10⁴ s^-1应变率下的剪应力-剪应变曲线及失效参数。研究发现,材料的流动应力存在明显的应变率强化效应;随着应变率的增加,材料的失效应力逐渐增大,而失效应变逐渐减小。采用ABAQUS/Explicit对加载过程进行了数值模拟。结果显示,剪切区材料基本处于平面剪切状态,应力应变场分布较为均匀,计算得到的剪应力-剪应变曲线与实验结果吻合较好。经断口分析可知,随着应变率的升高,Ti-6Al-4V的失效机理存在由韧窝、拉伸韧窝至台阶及河流花样的演化过程,材料的失效模式主要表现为韧性断裂。

     

混凝土材料动态性能的经验公式、强度理论与唯象本构模型

混凝土是一种应用广泛的结构工程材料, 其材料组份复杂、变化因素多, 因而力学 特性也复杂多变. 动\linebreak 态/强冲击载荷作用下, 还涉及了材料应变率敏感效应和静水 压力相关特性等诸多影响因素, 使得其本构理论的研究更加困难. 本文中, 回顾了 近20多年来混凝土材料动态力学特性和本构关系研究方面的进展状况, 主要总结了 混凝土材料动态本构特性研究中的经验公式、强度理论和本构模型, 并在分析 比较的基础上给出了相应的讨论和评述.     

炮孔之间爆炸应变场的光力学分析

本文分别运用动态云纹-光弹性和电阻应变量测方法研究了相邻两炮孔之间爆炸应变场。多火花式高速像机和超动态量测系统被用于动态记录。根据动态云纹-光弹条纹分析了应力波的叠加作用,定量地计算了爆炸应力波叠加作用期间内不同时刻地孔连心线上_x(沿连心线方向)和_r(垂直于连心线方向)的分布以及_x在连心线中垂线上的分布。用应变片记录了爆炸应力波叠加作用时连心线上应变-时间示波器轨迹。测量和计算所得炮孔间应力波叠加和衰减的规律与理论分析和动光弹模拟分析结果一致。     

钛合金TC-4在高应变率下的动态本构关系

利用分离式Hopkinson扭杆对钛合金TC-4进行了高应变率下动态剪切本构关系的实验研究。结果表明TC-4对应变率高度敏感,对应变率的敏感性随应变率的提高而增加。其动态应力应变关系呈线性强化形式。但动态强化模量随应变率的提高而略有减少。采用Malvern给出的过应力模式_p={exp[(1/)(-f())]-1}/b可以较好地描述TC-4的动态剪切本构关系。     

花岗岩的动态力学性能、本构模型与状态方程研究

为研究强动载荷条件下花岗岩的动态力学性能、本构模型与状态方程,分别采用分离式霍普金森压杆和轻气炮系统进行了压杆试验和飞片撞击试验,以获得不同条件下花岗岩的动态力学参数。压杆试验结果表明,花岗岩在应变率为80~320 s^–1范围内呈现明显的应变率效应,其强度和应变率近似呈指数关系。飞片撞击试验表明,随着飞片速度的增大,冲击波传播速度呈现明显的三折线变化趋势,而试样的可压缩性则随着加载速度的提高先逐渐增强然后再次降低。最后,根据试验数据,给出了强动载荷条件下花岗岩的HJC（Holmquist–Johnson–Cook）本构模型、Gruneisen状态方程以及动态屈服强度参数。

     

5083H111铝合金宽应变率拉伸动态本构模型

结合5083H111铝合金较宽应变率范围2×10-4~4×102 s-1内的拉伸实验数据,揭示该铝合金的拉伸“V”型率效应特征,分析对数应变率敏感系数λ和切线模量E1的应变率和应变相关性,进而通过对Johnson-Cook模型的修正来建立合理描述5083H111铝合金较宽应变率范围内力学行为的动态拉伸本构模型.建立的动态本构模型中,流动应力包括应变率相关和应变相关两部分.该模型合理描述了5083H111铝合金的拉伸“V”型率效应特征,预测结果与实验结果较为一致.另外,结合破坏应变的对数应变率敏感系数β,得到了拉伸破坏应变预测方程,其预测结果也与实验结果基本一致.     

冲击大电流高加热率实验装置研究

研究了两种能对金属快速加热的高加热率实验装置。第一种ＲＬ装置能对试件产生几十至五千℃／ｓ范围内调节的中等加热率。第二种ＲＬＣ加热装置能对试件产生１０￣５～１０￣７℃／ｓ的超高加热率。两种装置均能在加热过程中使试件产生一个近似均匀的温度场，且均可和常规的力学加载装置配套使用。     

纳米双晶铜单向拉伸弹性性能的应变率效应和尺寸效应

利用分子动力学方法研究了双晶铜在单向拉伸载荷作用下弹性性能的应变率效应和尺寸效应.结果表明:随着加载应变率的改变,纳米双晶铜的初始弹性模量在低应变率区和高应变率区表现出不同的规律.在低应变率区,弹性模量基本不随应变率的变化而变化;但在高应变率区,弹性模量随应变率的增大而增大,弹性模量和加载应变率之间满足近似的对数线性关系.因此,存在一个控制弹性模量应变率效应的应变率阈值.进一步的研究发现,双晶纳米铜的应变率阈值随着截面尺寸的增大而减小,具有明显的尺寸依赖性.     

EXPERIMENTAL AND NUMERICAL STUDIES ON DYNAMIC COMPRESSIVE BEHAVIOR OF REACTIVE POWDER CONCRETES

Split Hopkinson pressure bar （SHPB） technique is used to determine the dynamic strength of reactive powder concretes （RPCs） with different steel-fiber contents. Two types of pulse shapers with different thicknesses are considered to reduce the high-frequency-oscillation effect and achieve a nearly constant strain rate over a certain deformation range. It is known that the compressive strength of concrete-like materials is hydrostatic-stress-dependent, and the apparent dynamic strength enhancement comes from both the effects of the hydrostatic stress and strain rate. In order to differentiate them, numerical method is used to calculate the contribution of the hydrostatic stress, and then the genuine strain-rate effect on dynamic compressive strength of RPCs is determined. In addition, the effect of steel-fibers on dynamic strength and failure mode of RPCs is discussed.     

裂纹动态起始问题的研究进展

力图就前人提出的冲击载荷下裂纹的起始判据进行较全面的综述．这些较著名的判据有：（１）动态应力强度因子判据；（２）动态Ｊ积分判据；（３）最小作用量判据；（４）极小作用时间判据等．简要介绍了近年来有关裂纹在冲击载荷（特别是短脉冲）下动态起始的一些重要实验和实验中所发现的一些重要结论．实验公认，一般对于小范围屈服而言，材料的动态断裂韧性随加载（应变）率的提高而减小，此时材料的断裂形式为解理型；而对于大范围屈服则韧性随加载率的提高而增大，此时材料的断裂形式为纤维型．特别指出，Ｂｒｏｗｎ大学的平板撞击实验表明，裂纹在起始时，观察到一个不再满足二分之一阶奇异性的“尖峰”，按Ｃｌｉｆｔｏｎ和Ｆｒｅｕｎｄ等人所给出的模型，在裂纹起始断裂瞬间，在裂纹顶端会突然形成一个小洞，该洞的半径作为一个参数等于二相粒子的间距．     

静动组合载荷下混凝土率效应机理及强度准则

混凝土结构在受到动载荷作用之前,通常已承受着初始静载荷的作用.大量关于混凝土应变率效应的研究均没有考虑初始静载荷对动强度的影响,会导致过高地估计混凝土的动强度,使混凝土结构设计偏于危险.本文通过分析混凝土材料在静动组合载荷下的率效应机理,给出了初始静载荷的定义.在此基础上,推导了混凝土材料参数与初始静载荷和应变率的表达式,提出了建立静动组合强度准则的一般方法.通过材料参数反映初始静载荷与应变率的联合影响,给出了由初始有效静载荷、动态黏聚强度和摩擦强度共同组成的混凝土动态强度,将广义非线性强度准则发展为静动组合多轴强度准则.建立的强度面在相同初始静载荷下随应变率的增大向外扩张,在相同应变率下随初始静载荷的增大向里收缩,即混凝土的强度在相同初始静载荷下随应变率的增大而增大,在相同应变率下随初始静载荷的增大而减小.此外,当初始静载荷和应变率不变时,加载路径对混凝土材料的应变率效应无影响,但会影响混凝土材料的静水压力效应,即当初始静载荷和应变率固定不变时,静动组合强度面的位置和大小即可确定,不同加载路径下强度的不同是由于静水压力效应导致的.最后利用多组混凝土材料静动组合强度试验对建立的静动组合强度准则进行了验证.