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。     

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。     

聚碳酸酯的高应变率拉伸实验

为了解应变率对聚碳酸酯拉伸力学行为的影响,在旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸试验机和MTS809材料试验机上,对聚碳酸酯棒材进行了高应变率和准静态加载下的单向拉伸试验,应变率分别为380 s-1、800 s-1、1750 s-1和0.001 s-1、0.05 s-1,得到了聚碳酸酯的拉伸应力应变曲线.试验结果表明:聚碳酸酯的拉伸力学性能具有明显的应变率相关性,其屈服应力和失稳应变随应变率的增加而增大.依据试验结果,采用朱王唐粘弹性本构模型来描述聚碳酸酯的非线性粘弹性拉伸力学行为.模型结果显示,在本文实施的应变率范围内,朱王唐模型可以较好地表征聚碳酸酯的拉伸应力应变响应.     

应变率对SiC颗粒增强铝基复合材料拉伸性能的影响

本文利用岛津试验机和自行研制的冲击拉伸试验装置,对体积含量为10%的SiC颗粒增强铝基复合材料进行了准静态的拉伸试验、冲击拉伸试验和冲击拉伸加卸载试验,获得了复合材料在应变率为0.002s^-1-1000s^-1范围内从弹塑性变形直至断裂的完整应力应变曲线。试验结果表明,随着应变速率的提高,复合屈服应力,拉伸强度以及破坏应变均相应提高,具有明显的应变率强化效应和高速韧性现象;同时,由于冲击拉伸试验过程中热力耦合效应的影响,准静态加载下复合材料的应力指数与冲击拉伸加载下复合材料的应力指数相比降低了17.8%;在用冲击拉伸复元试验解耦出热力耦合效应的影响后,材料的静、动态等温应力应变曲线具有相同的应变硬化规律。最后,根据复合材料在不同应变率下的试验结果和Eshelby‘s等效夹杂理论,本文建立了一个计及应变率强化效应的弹塑性自洽模型,模型拟合结果与试验结果吻合得很好。     

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。

     

基于Hopkinson杆的材料高应变率拉伸实验技术

分离式霍普金森杆(Split Hopkinson Bar)是测试材料在高应变率加载下力学行为的一种有效的实验手段.本文基于霍普金森杆测试原理,设计和研制了气枪式变截面间接杆杆型高应变率拉伸实验装置.该装置具有完备的、高精度的水平和轴向基准,采用等高的固定支撑,保证了杆-杆型实验系统具有良好的共轴度;入射杆与撞击套筒之间设有导向管,避免了撞击套筒直接与入射杆接触而产生的相互干扰;在导向管内设有支撑圈,以减小入射杆与导向管直接接触而产生的摩擦,并消除入射杆的径向跳动;采用前置金属短杆来获得光滑、平稳且幅值和宽度可调的拉伸入射加载脉冲.对LY12CZ铝合金在两种应变率下初步的验证性实验表明,该高应变率拉伸实验装置的设计是合理的,实验获得的应力—应变结果是可靠、有效的.     

高应变率拉伸加载下无氧铜的本构模型

为了研究材料在高应变率拉伸加载下的动态响应,利用新型爆炸膨胀环实验技术开展了无氧铜试样环的拉伸加载实验,采用激光干涉测试技术获得了试样环拉伸变形过程的径向速度历史。数值计算发现经典JC模型不能较好地描述无氧铜试样环的膨胀过程,于是对JC模型进行了修改:增加了应变的指数硬化项来描述拉伸变形的累积效应;增加了应变率的线性项描述拉伸加载时的应变率效应;利用实验数据拟合了修改后的RJC模型参数,最终较好描述了无氧铜试样环的膨胀变形过程。     

高导无氧铜杆高应变率拉伸下的颈缩与断裂

采用Hopkinson拉伸实验装置和一种高速拉伸断裂实验新装置,对高导无氧铜(OFHC)杆件进行了一系列高应变率拉伸断裂试验.实验结果表明,局部化的断裂应变随拉伸速度增大并不明显增大,其断裂位置有随机性.存在一种临界拉伸速度,当冲击拉伸速度大于此值时,断裂即发生在冲击拉伸端附近,杆的其它部分几乎无应变.采用典型的Johnson-Cook本构关系,使用LS-DYNA程序进行一系列数值模拟,提出颈缩处直径收缩率达极值的颈缩失效判据,由此计算所得的局部化颈缩应变及断裂位置与试验回收结果有一定差别.     

高应变率下的矿岩特性研究

本文采用霍普金森杆（S.H.P.B.）装置对三种磁铁矿和一种化岗岩在应变率为102～103S-1范围内的力学特性进行了研究。文中给出了矿岩在不同应变率下的动态破坏强度,动态弹性模量、动态应力-应变曲线和分析结论。     

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.     

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。     

高应变率拉伸SHB试验设备的研制和测试技术

本文介绍了自行研制的用于高应变率试验的分离式霍布金生拉杆设备，从一维应力波理论出发，详细推导了拉伸和压缩ＳＨＢ方法测量动态应力应变关系的计算公式；并利用本设备对硬铝合金ＬＣ进行了不同高应变率拉伸试验，得到相应的应力应变关系。     

EVOLUTION OF VOIDS IN DUCTILE POROUS MATERIALS AT HIGH STRAIN RATE

In the present work,a dynamic damage model in ductile materials underthe application of dynamic general stresses loading is presented.The evolution equationof ductile voids has the closed form,in which work-hardening,the change of surfaceenergy of voids,rate-dependent,inertial effects are taken into account.Theexpressions of critical stresses for the growth and compaction of voids are directlyobtained from the evolution equations of voids.From the expressions,the resultobtained by Carroll and Holt,as a special example,is given.Numerical analysis ofthe model indicates that the growth of voids is sensitive to the strain rates.The voidsgrow quickly as the increase of strain rates.It is also shown that the influence of theinertial effects on the void growth is great at high loading rates.It appears to resist thegrowth of voids.In addition,a dynamic collapse model of ductile voids is alsoproposed,which can be applied to study the problems of compaction in powder andother materials.     

高应变率下延性多孔介质中孔洞的动态演化

本文提出了一个新的材料延性动态损伤模型，模型中不但包括了率效应，同时还考虑了惯性效应，孔洞表面能变化和材料硬化对孔洞演化的影响。此外，在模型中同时考虑了体应力和偏应力对孔洞演化的作用，从孔洞演化方程地接到了孔洞增长和压缩应力临界表达式，Ｃａｒｒｏｌｌ和Ｈｏｌｔ结果作为该表达式的一个特例而得出，模型的数值分析得出以下结论：①延性孔洞的动太增长对率效应十分敏感，应变率越高，孔洞增长越快；②惯性效应在主     

应变率对Gr/Al金属基复合材料力学性能的影响

利用自行研制的冲击拉伸实验装置对单向石墨纤维增强铝基复合材料实施了不同应变率下的拉伸实验。获得了材料在００００５～１３００ｓ－１应变率范围内完整的应力应变曲线。结果表明Ｇｒ／Ａｌ的应力应变曲线可分为两个部分：非线性弹脆性变形以及材料失稳后的残余变形。实验结果还表明Ｇｒ／Ａｌ是一种应变率敏感材料,随着应变率的提高,材料的拉伸强度、失稳应变以及剩余应力均相应提高。根据不同应变率下的实验结果,提出了计及应变率强化效应的复合丝束统计本构模型,模型拟合的结果与实验结果吻合得很好。拟合结果还表明,特征纤维统计分布的Ｗｅｉｂｕｌ参数（尺度参数与形状参数）均是与应变率无关的,复合材料的应变率效应主要是由基体的应变率强化效应引起的。     

2D-C/SiC复合材料的单轴拉伸力学行为及其强度

通过单调拉伸和循环加卸载试验, 研究了平纹编织C/SiC复合材料的损伤演化过程及其应力-应变行为. 结果表明, 残余应变、卸载模量和外加应力的关系曲线与拉伸应力-应变曲线具有类似的形状. 基于剪滞理论和混合率建立了材料的损伤本构关系和强度模型, 分析计算表明, 残余应变主要由裂纹张开位移和裂纹间距决定, 而卸载模量主要由界面脱粘率决定; 材料的单轴拉伸行为主要由纵向纤维束决定, 横向纤维对材料的整体模量和强度贡献较小. 理论模拟结果与试验值吻合较好.      

一种用于材料高应变率剪切性能测试的新型加载技术

高应变率下的冲击剪切实验技术是材料动态力学行为及其微观机理研究的重要基础.采用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar)装置一般可以获得材料在104s-1以内应变率的动态力学性能.在超过104s-1的应变率下对材料进行冲击剪切测试时,通常需要采用高速压剪飞片技术或由气炮发射子弹对试样进行直接加载.本文提出一种可用于传统霍普金森压杆技术的新型双剪切试样,可以在103~105s-1剪应变率范围实现对材料剪切性能的精确测量;同时,可以对材料的变形及失效过程进行直接观测.试样与压杆之间避免了复杂的界面或连接装置,通过转接头可以保证试样与压杆直接接触,提高测试精度,同时可以防止因试样的横向位移而导致的非均匀变形.获得了紫铜在1400~75000s-1应变率下的剪应力-剪应变曲线,并采用计算软件"ABAQUS/Explicit"对双剪切试样的动态加载过程进行了数值模拟和结果验证.分析表明,剪切区的主要区域内剪切成分占主导地位,其应力应变场沿厚度及宽度方向基本呈均匀分布.实验得到的剪应力-剪应变曲线与模拟结果吻合较好,说明所提出的基于分离式霍普金森压杆系统的双剪切试样可以为材料的高应变率力学性能测试提供一种方便有效的加载技术.      

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.