铝锂合金材料损伤演化方程和层裂准则的研究

 通过平板撞击实验对铝锂合金层裂现象进行实验研究。以细观统计和唯象分析相结合的思想,提出了一种新的微孔洞型损伤演化方程,方程同时计及了孔洞长大、成核以及材料可压缩性的耦合效应对损伤演化的影响。在一维应变波模拟程序中嵌入考虑损伤演化影响的铝锂合金本构方程和状态方程,模拟平板撞击过程靶板自由面质点速度时程曲线,并与实验曲线相对比,得到了铝锂合金材料损伤演化方程及其层裂准则的相关参数。     

基于温度与应变率相互耦合的泡沫铝本构关系

根据分离式Hopkinson压杆实验以及准静态实验得到的泡沫铝材料在不同温度以及不同应变率下的应力-应变曲线,分析了泡沫铝本构方程中温度效应与应变率效应之间的耦合关系,即温度越高,泡沫铝的应变率效应越显著。基于Sherwood和Frost提出的泡沫材料本构关系框架,对常温下的应变率敏感系数进行了温度项修正,修正后的本构方程在高温高应变率下与实验结果具有较好的一致性。最终得到泡沫铝在一定密度范围内包含温度项、应变率项较为完备的本构方程。     

用Hugoniot数据计算高压状态方程

 提出了利用Hugoniot数据、变形Morse势和Grüneisen模型来确定固体材料的高压状态方程的方法。该方法物理意义明确,表达式简洁。用此方法计算Au的高压状态方程,将所得的状态方程与Sesame数据库中Au的状态方程进行比较,发现在密度20~28 g/cm³内两者吻合较好,相对误差在0~10%的范围内,表明运用Hugoniot数据结合Grüneisen模型计算材料的状态方程是很适合的。     

M-G模型的简化以及预热Mo实验结果分析

 在Mie-Grüneisen （M-G）物态方程的基础上进一步推导出预热材料的Hugoniot参数表达式,使得利用M-G物态方程确定材料在不同初始温度下的Hugoniot参数更简洁方便。Miller和Duffy测量了Mo在初始温度1 400 ℃下的状态方程,其结果并不符合M-G物态方程模型,导致一些问题需要进一步研究。     

复合应力下泡沫铝屈服行为实验研究

 采用ARCAN双轴加载装置和材料实验机（INSTRON 5544）,对相对密度为8.5%的闭孔泡沫铝（Alporas）进行了不同应变率下的双轴加载实验。在宏观等效应变率为7.0×10^-3~1.0×10^-1 s^-1范围内测得实验屈服面,并与泡沫金属的3种屈服准则进行了比较。比较结果表明：在主应力空间下,实验屈服面与Miller和Deshpande-Fleck屈服准则吻合较好,Gibson屈服准则过小估计了测试泡沫铝的实验屈服面;被测泡沫铝的实验屈服面在宏观等效应变率7.0×10^-3~1.0×10^-1 s^-1范围内对应变率不敏感。     

飞秒激光驱动超高应变率加载下铝材料的层裂特性

层裂损伤是材料动态损伤破坏研究中最重要的问题之一,其损伤特性和机制随加载应变率不同表现出明显的阶段性规律。超高应变率条件下材料层裂损伤特性、规律和机制研究已成为极端条件下材料动态响应研究的重要内容,在工程应用和基础研究领域均有重要意义。采用飞秒激光驱动冲击加载技术开展了超高应变率条件下铝材料的层裂损伤实验研究,利用啁啾频域干涉超快诊断方法对铝材料的层裂损伤过程进行了诊断,分析并获得了在109 s-1应变率条件下铝材料的层裂强度约为7 GPa,结合前人的研究数据,解读了铝材料层裂强度随应变率的变化规律。     

率温联合条件下混凝土材料压缩强度的变化规律

混凝土材料的动态压缩强度不仅具有明显的应变率强化(硬化)效应,同时还具有明显的温度弱化(软化)效应。在应变率和温度联合条件下,压缩强度随应变率和温度变化过程中不仅存在清晰的应变率拐折点,拐折点前后压缩强度随应变率变化速率明显不同,而且在不同温度下发生拐折时,其拐折点对应的应变率也存在明显差异。参考近年来相关文献中混凝土材料在率温联合条件下的压缩实验数据,结合理论分析,探讨了在不同温度、不同应变率条件下混凝土材料压缩强度联合效应因子K的变化规律;并对实验数据进行拟合,得到了不同应变率、不同温度下K(T)-■的预测表达式,确定了应变率强化和温度弱化对压缩强度的耦合影响;通过分析应变率拐折点与温度的关系,确定了应变率和温度联合条件下应变率敏感区和不敏感区的率温联合条件界限;建立了率温效应相当(K=1)时的率温等效方程,并确定了混凝土材料的率温等效参数。     

200 GPa压力范围内铝和铜的等熵压缩线计算

 将冲击Hugoniot线作为Grüneisen物态方程的参考线,以冲击的初始状态为参考状态,推导得到线性和二次曲线表示的冲击绝热线所对应的等熵压缩线方程,计算了200 GPa压力范围内铝和铜两种材料的等熵压缩线,并且计算了以Hugoniot关系为基础的Appy经验物态方程导出的等熵压缩线。计算结果表明,以Appy经验物态方程导出的等熵压缩线与以线性冲击绝热线导出的等熵压缩线接近,在200 GPa压力范围内两者相差不到1.5%。将计算得到的铝的等熵压缩线与美国Sandia实验室ICE实验Z864数据进行了比较,由线性Hugoniot得到的等熵压缩线与实验数据相差不到1%,由Appy经验物态方程得到的等熵线与实验数据几乎重合,说明在200 GPa压力范围内,以Appy物态方程和以线性Hugoniot为参考来计算的等熵压缩线有较高的精度。     

平面冲击波压缩下氧化铝陶瓷的动态强度

 简述了一维应变压缩条件下的材料动态强度表征,指出了静水压力和高应变率效应的强度影响。基于Drucker-Prager屈服准则,提出了Hugoniot弹性极限表征的修正形式。进行了氧化铝陶瓷平板撞击实验,采用VISAR测试了氧化铝陶瓷样品的自由面质点速度历程,讨论了氧化铝陶瓷动态压缩强度的测定和存在的问题,对实验现象进行了一定的探讨。结果表明,材料动态强度的表征与实验测定之间存在相当大的差距。     

偏Hugoniot状态下93钨状态方程

利用动高压实验装置二级气体炮和5层阻抗梯度飞片,在2.12和5.02km/s的碰撞速度下测量了93钨样品的自由面速度,同时基于冲击波理论对实验测量的自由面速度进行了解读。高温高压下93钨的偏Hugoniot状态方程分析表明,在较低的碰撞速度下多次压缩后93钨的压强和温度要高于单次Hugoniot压缩的压强和温度,而在较高的碰撞速度下截然相反,其主要原因是93钨在多次加载过程中Hugoniot参数和相对压缩性发生了变化。     

超压爆轰产物冲击绝热线的实验研究

炸药驱动高速飞片撞击基板和炸药,从而在炸药中产生超压爆轰状态。利用高速扫描相机测试了冲击波在炸药试样和铝标准试样中的传播速度,采用对比法得到了炸药爆轰产物的雨贡纽曲线。通过分析发现,通常的冲击波-粒子速度(D-u)关系式的线性拟合不适合CJ点附近的雨贡纽数据,对于炸药爆轰产物的冲击波-粒子速度关系式最好采用非线性关系式。利用冲击波前后物理量守恒关系式,将D-u数据转化为p-V数据,拟合得到了炸药爆轰产物的雨贡纽p-V关系。     

飞片温升对Hugoniot参数测量的影响

 在格临爱森物态方程框架内建立了一种估算高温材料Hugoniot参数的理论方法,这种方法计算简单,原则上适用于各种固体材料,弥补了BACT方法的缺点。结合一些Hugoniot实验数据研究了实验中飞片的温升对粒子速度的影响。数值计算表明：飞片温升对粒子速度造成的不确定度非常小,因此在数据处理中,假定飞片的Hugoniot参数不变是合理的。     

利用多层阻抗梯度飞片产生准等熵压缩的理论解析

基于冲击波理论对多层阻抗梯度飞片击靶过程波系的相互作用做了理论分析，计算表明在多层阻抗梯度飞片的撞击下，样品的压缩线是一组通过不同初始状态点的冲击压缩线的连线, 它位于冲击压缩(hugoniot)线与等熵压缩线之间. 所以通过飞片层数的设计,可获得介于冲击压缩线与等熵线之间的任意状态点,这就为以后偏冲击压缩(off-hugoniot)状态方程的实验研究提供了理论参考. 实验测量的样品/窗口界面速度与理论计算的一致性支持上述结论的可靠性与准确性. 关键词： 准等熵压缩 多层阻抗梯度飞片 理论解析     

钽铌合金材料的冲击压缩特性研究

 对一种新型的钽铌合金材料进行了冲击压缩特性实验研究，通过超声测量得到了其常态下的横波和纵波声速，进而计算得到了其相关的一些静态力学参量。通过二级轻气炮加载技术，得到其在60~196 GPa压力范围内的冲击Hugoniot线。这一测量结果与混合物叠加法估算的结果符合较好，并将这种新型合金材料的力学特性与两种钨合金材料进行了简单对比。比较结果显示，Ta-Nb合金材料是一种具有较好工程应用前景的材料。     

冲击载荷下Al2O3陶瓷的动态响应

 通过平面飞片碰撞实验，研究了质量分数为90%的Al₂O₃陶瓷在0～11.0 GPa的动态响应行为，给出了该材料的Hugoniot弹性极限（σ_HEL）、动态屈服强度、高压声速和Hugoniot曲线。结果表明：当冲击应力在σ_HEL≈11.0 GPa的范围内，Al₂O₃陶瓷的塑性区压缩特性表现出较明显的弥散行为；在远低于σ_HEL的应力区，Al₂O₃陶瓷已表现出明显的压缩损伤效应，即出现所谓的破坏波效应。     

D6A、921和45钢的动态破坏与低压冲击特性

 通过对称碰撞研究了D6A、921和45钢的动态损伤与破坏行为。利用自由面速度的双波结构，结合材料在常压下的弹性纵波声速，确定了三种钢的低压Hugoniot关系，同时给出了三种钢的弹性Hugoniot屈服极限以及层裂强度。但是发现，屈服极限和层裂强度的材料分散性明显，在其影响下，层裂强度对加载幅度以及应变率的依赖性得不到体现，从而在其不确定度范围内，可将层裂强度看成一个常数。提出了一个唯象的损伤演化方程，在此基础上，对实验结果进行了部分数值模拟，数值模拟给出的层裂强度远大于近似解析模型的计算结果，两者之间的差异有待进一步研究。     

惯性对多孔金属材料动态力学行为的影响

 对泡沫金属材料的力学性能已经进行了十分广泛的研究,但在对泡沫金属的应变率效应和惯性效应的研究中,尚存在一些矛盾的结论。为进一步认清惯性在多孔金属动态响应中的作用,用有限元计算方法模拟了二维Voronoi蜂窝的动态压缩行为,得到了不同速度下Voronoi蜂窝的3种变形模式。通过改变基体材料的密度和冲击速度进行“数值实验”,得到了相应“试件”的由冲击面和支撑面得到的宏观平均应力应变曲线和平台应力。根据数值模拟的结果,着重分析了惯性效应的影响。研究发现,惯性并不影响蜂窝的应力应变曲线,但它导致试件中宏观变形不均匀,是平台应力提高的主要原因。     

冲击加载下Zr51Ti5Ni10Cu25Al9金属玻璃的塑性行为

进行了10—27 GPa应力范围内Zr₅₁Ti₅Ni₁₀Cu₂₅Al₉金属玻璃的平面冲击实验以研究其高压-高应变率加载下的塑性行为.由样品自由面粒子速度剖面的分析获得了冲击加载过程的轴向应力,并通过轴向应力与静水压线的比较获得剪应力.实验结果表明,尽管存在明显的松弛效应,但Zr基金属玻璃的Hugoniot弹性极限随着冲击应力的增加而增加.然而,塑性波阵面上的剪应力则显示先硬化而后软化现象,而且软化的幅度随冲击应力的增加而增加.冲击加载下Zr基金属玻璃的上述剪应力变化特征与分子动力学模拟结果比较一致,但与压剪实验结果和一维应力冲击实验结果明显不同.     

Critical measurements for validation of constitutive equations under shock and impact loading conditions

Interpretation of the data often requires numerical simulations of the experiments and comparisons with the data. However, determination of an appropriate set of values for parameters in constitutive equations valid under shock and high strain rate loading remains one of the most difficult tasks for material model developers. Most researchers employ experimental data obtained under idealized stress/strain states in the model parameter calibration scheme. Since the dynamic response of materials is very complex, especially the failure response, the generality of the model parameters is highly questionable. For example, the fracturing of ceramic materials involves nucleation, propagation, and coalescence of microcracks under shock and impact. The dynamic deformation processes in ceramics include dynamic pore collapse, dislocation generation, twinning, and microcracking. When shocked above the Hugoniot elastic limit, the ceramic deformation becomes inelastic; therefore, the constitutive model formulation should consider modeling the effects of these various processes on the degradation of strength and stiffness of ceramic. This paper presents a brief summary of diagnostic measurements and modeling techniques associated with validation and verification of ceramic constitutive/damage models under high strain rate, shock, and penetration loading applications.