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.     

实现材料高应变率拉伸加载的爆炸膨胀环技术

设计了新型的爆炸膨胀环实验加载装置,加载装置中采用爆炸丝线起爆方式,避免了传统装置中对碰爆轰波加载时的应力不均匀性。利用新型的爆炸膨胀环实验技术研究了无氧铜材料的动态性能,利用激光位移干涉仪测量了试样环的径向速度历史,处理数据获得了无氧铜材料的流动应力-塑性应变-应变率的关系,为进一步利用爆炸膨胀环实验技术研究材料在高应变率拉伸加载时的本构关系奠定了基础。     

高应变率下TiC_P/Ti复合材料的动态拉伸性能

采用旋转盘式杆-杆型动态拉伸试验机对TiCP颗粒增强钛基复合材料及其基体钛合金的动态拉伸性能进行了研究.同时为了比较,在MTS810试验机上做了两种材料的准静态试验.试验结果表明,复合材料及基体材料屈服后至材料的迅速失效,几乎没有应变硬化效应;复合材料的抗拉强度和屈服强度较基体明显提高,但延性明显下降;钛合金基体和复合材料均有明显的应变率强化效应,但复合材料的应变率强化效应明显高于基体;建立了复合材料率相关的本构关系.最后从位错等微观角度分析了复合材料的强化机理、复合材料的应变率敏感性以及复合材料应变率敏感性高于基体的原因.     

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.     

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。

     

PMMA膨胀环动态拉伸碎裂实验研究

在强动载作用下, 脆性材料的碎裂问题是一个重要的研究课题, 而脆性材料在冲击拉伸载荷下的力学行为的实验研究相对较匮乏. 提出了一种动态拉伸断(碎)裂的液压膨胀环实验技术, 可用于准脆性/脆性材料的动态拉伸. 利用该技术对有机玻璃(PMMA)圆环试件进行了不同膨胀速度下的动态碎裂实验研究. 从回收碎片的断口形貌和碎片内部残余裂纹观察可知试件的破碎由环向拉伸应力造成, 碎片断口处发出的稀疏波会将周围的拉伸应力卸载, 从而抑制其他裂纹的进一步发展. 利用超高速相机记录了试件的膨胀碎裂过程, 利用DISAR激光速度干涉仪获得了试件外表面粒子的径向膨胀速度历史, 通过试件上的应变片获得了试件的应变历史和断裂应变. 实验结果表明: 在拉伸应变率150\mathrm{~}500s^{-1}范围, 材料的动态断裂应变低于准静态加载下的断裂应变, 体现出“动脆”现象; 随着加载应变率的提高, PMMA 材料的碎片尺寸减小; 无量纲化的PMMA圆环的平均碎片尺寸介于韧性碎裂模型和脆性碎裂模型的预测数值之间, 反映出材料的准脆性特性.      

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。     

液压膨胀环恒应变率加载技术

膨胀环实验技术主要包括爆炸膨胀环实验技术和电磁膨胀环实验技术,实验过程中膨胀环的加载应变率在达到峰值后会随着圆环的膨胀而迅速降低,给研究应变率敏感材料的拉伸碎裂带来极大的不便。在前期提出的液压膨胀环实验技术的基础上,发展了一种恒应变率加载技术。首先,从理论上获得了实现金属圆环恒应变率膨胀所需的液压加载曲线的近似表达式;然后,采用有限元流固耦合数值模拟了液压膨胀环装置中1060-O铝环的膨胀碎裂过程,在给定液压加载曲线下,膨胀环的环向应变率在应变率稳定阶段上下波动范围最大不超过20%;并进一步研究了加载曲线对碎裂过程中应变率的影响规律。在液压膨胀环实验装置上对1060-O铝环开展了膨胀环实验,验证了恒应变率加载技术的可行性。     

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。     

一种改进的金属材料的高温动态拉伸实验技术

在旋转盘冲击拉伸实验装置上,利用金属材料自身的导电特性,对试样施加电流.使其在电流作用下发热,实现自加热,形成了试件快速加热而波导杆温升很小的金属材料的动态高温高应变率拉伸实验技术.应用该实验技术获取了45 #钢从室温到1000℃温度范围和应变率650s-1时的材料动态拉伸应力—应变曲线.实验结果表明,45 #钢具有明显的热软化效应,其流动应力和屈服应力随温度的升高而降低.     

多晶纯钛在高应变率不同温度下的拉伸力学行为实验研究

利用MTS809和自行研制的旋转盘冲击拉伸试验机,对多晶纯钛进行了应变率为0.001s-1和300s-1、温度为298K至973K的拉伸试验和应变率为300 s-1不同温度下的冲击拉伸复元试验,得到了多晶纯钛的拉伸应力应变曲线和高应变率等温应力应变曲线。试验结果表明,多晶纯钛的拉伸力学行为具有应变率和温度相关性。采用修正的Johnson-Cook模型进行数值拟合,结果表明,该本构模型能较好地表征多晶纯钛在试验应变率和温度范围内的拉伸力学行为。     

极端环境下连续碳纤维增韧的陶瓷基复合材料的力学行为

连续纤维增韧的碳化硅复合材料(以下简称C/SiC),作为超高速飞行器热结构使用时,有可能在高温环境下受到高速撞击的作用,因此,掌握其在极端环境(高温、高应变率)下的力学性能是进行结构安全设计的基础。本文采用具有高温实验能力的分离式Hopkinson杆,在293~1273K温度范围内进行了动态压缩力学性能测试,研究了环境温度和加载速率对材料力学性能的影响。结果表明:C/SiC复合材料的高温压缩力学性能主要受应力氧化损伤和残余应力的共同影响。实验温度低于873K时,应力氧化损伤的影响很小,而由于增强纤维和基体界面残余应力的释放使界面结合强度增大,复合材料的压缩强度随温度的升高而增大;当实验温度高于873K时,应力氧化损伤加剧,其对压缩强度的削弱超过残余应力释放对强度的贡献,材料的压缩强度随温度的升高逐渐降低。由于应力氧化损伤受应变率的影响很大,当温度由873K升高至1273K时,高应变率下压缩强度降低的程度要比应变率为0.0001/s时低得多。     

高温高应变率下材料拉伸性能测试的一种新方法

为了实现高温环境下材料高应变率动态拉伸实验技术,将分离式Hopkinson杆直接拉伸装置中试样与拉杆的螺纹连接形式变成楔形连接形式,并加装了气动同步装置系统。这样,在对试样加高温时,能使靠近试样的入射和透射杆端处于较低温度。当撞击管向传递法兰运动时,气动同步装置瞬间拖动透射杆和试样,使两者之间的间隙为零,此时沿入射杆传递的入射波同时对试样拉伸加载。经实验验证,此方法可以有效实现材料高温高应变率拉伸加载。     

冲击膨胀环实验技术

膨胀环技术是一种研究高应变率加载下材料力学性能及动态拉伸破碎特性的实验方法,具有试样的应力状态近似一维、无边界条件等优点,在处理应力波相互作用关系复杂的动态破碎问题方面优势明显。为了方便膨胀环技术在实验室内使用,设计了一种基于轻气炮的冲击膨胀环实验装置,实现了材料的一维高应变率拉伸加载。冲击膨胀环装置采用轻气炮加速低密度高聚物弹丸,高速撞击驱动器内低密度高聚填充物,低密度高聚物挤压膨胀导致驱动器内部压力瞬时达到GPa级,驱动器向外膨胀实现径向加载,试样圆环在驱动器的作用下瞬间获得较高初始速度。实验中利用激光位移干涉仪测量试样的径向速度历史,经过数据处理可以获得材料的应力、应变和应变率的关系,收集试样圆环破片可以获得材料的动态拉伸破碎特性。基于轻气炮的冲击膨胀环实验技术方便、有效,已成功应用于1100-O铝材料的动态性能和破碎特性测试。     

中应变率下钢纤维混凝土受拉全过程实验研究

在简要评述有关中应变速率下钢纤维混凝土动态力学性能的实验研究现状后,详细介绍了在Instron1342材料实验机的基础上经自行改装设计的钢纤维混凝土动态测试系统,并对实验方案、试件制作与加载及量测过程进行了阐述。利用该系统,成功完成了应变率由1.38×10-4s-1～0.532×10-1s-1三个数量级范围内的钢纤维混凝土受拉全过程试验(四点弯拉),得到了中应变率下钢纤维混凝土的应力、应变全过程曲线。同时,对实验结果进行了综合分析,实验结果表明:中应变率下,应变率不同时钢纤维混凝土的应力应变全曲线具有很好的相似性,而峰值应力、峰值应变与弹性模量(割线模量)随应变率的增加均有不同程度的提高。当应变速率从1.38×10-4s-1增大到0.532×10-1s-1时,SFRC的抗拉强度提高30%左右,峰值应力对应的应变提高10%左右,动态拉伸弹性模量提高20%左右。中应变率(1.38×10-4s-1～0.532×10-1s-1)下,当钢纤维掺量从0%增加到4%时,钢纤维混凝土的抗拉强度提高1.3倍左右。     

汽车玻璃高温蠕变特性的实验与理论研究

通过对汽车用挡风玻璃进行不同温度、不同应力水平下的单轴拉伸蠕变实验,揭示了其非线性蠕变变形特性.实验发现,不同温度和载荷下的蠕变曲线形状类似,高温(550℃～590℃)下该材料的减速蠕变变形不很明显,主要表现为稳态和加速蠕变变形,且其断裂数据符合Monkman-Grant关系,应力和温度对其影响不显著.基于实验结果,本文建立了非线性高温蠕变本构方程.理论预测与实验数据进行了比较,结果表明所提出的本构方程能较好地描述汽车玻璃高温蠕变变形的全过程.     

三维DIC在GFRP锚杆拉伸力学性能测试中的应用

随着玻璃纤维增强塑料(GFRP)广泛运用于轨道交通及边坡加固中,其力学性能的测试显得尤为重要。基于三维数字图像相关(DIC)方法,研究了三种不同加载速率下GFRP锚杆的拉伸力学性能,分别得到了应力-应变曲线及弹性模量、抗拉强度、最大力总延伸率等参数。实验结果表明,螺旋状变截面锚杆的轴向应变呈非均匀分布,由三维DIC得到的锚杆弹性模量结果一致性优于传统的接触式引伸计方法,GFRP锚杆几乎呈线性分布的应力-应变曲线表明该材料为典型的脆性材料。     

高温环境下纤维复合材料蠕变损伤的细观机理研究

首先利用复合材料纤维断裂单胞模型，编制蠕变损伤子程序，对单胞模型进行蠕变损伤分析。分析了纤维／基体弹性模量比对蠕变变形、蠕变损伤以及应力场的影响。从计算结果发现，蠕变损伤首先在纤维断裂尖端起始，然后沿着一定的角度向基体外围延伸，直至完全损伤，而且纤维／基体模量比对高温环境下的复合材料蠕变损伤产生很大的影响；纤维与基体的模量相差越大，复合材料越容易变形，抵抗蠕变变形的能力就越小，蠕变损伤越严重。经过对不同韧性的基体材料进行研究，发现基体韧性低的复合材料蠕变损伤明显高于高韧性基体复合材料，表明低韧性基体复合材料抵抗蠕变破坏的能力较低。