数字图像相关测试技术在霍普金森杆加载实验中的应用

本文利用三维数字图像相关(3D-DIC)测试技术,在Hopkinson bar加载条件下测试铝合金动态拉伸力学性能以及TC4合金Ⅱ型裂纹的起裂时间和冲击载荷下的失稳扩展速度。两台高速相机保证了被测物体的三维成像,校准板技术使得所测试的应变-时间历程定量化。利用数据处理软件能够得到关注区内每一点的位移-时间历程、应变-时间历程及主应变等。同时,针对TC4材料的动态断裂过程,三维数字图像相关技术能够实时地记录预制疲劳裂纹的张开、裂纹尖端起裂、裂纹分叉扩展、失稳传播等各个阶段,为动态断裂韧性的确定提供了有力工具。     

应用高速摄影机对泡沫铝在SHPB实验过程的变形跟踪与分析

SHPB技术虽然能方便地得出材料的动态应力应变关系,但却不能直观地揭示材料在经受冲击荷载时的变形特征,而这恰恰是泡沫金属力学性能研究的重要方面.为此,本文设计了一套SHPB-高速摄影机系统,借此系统对SHPB实验中的泡沫铝试件进行了实时的变形跟踪拍摄,然后应用图像处理软件对泡沫铝试件的动态变形进行分析并提取了位移信息,...     

波形整形器在酚醛树脂的霍普金森压杆实验中的应用

利用霍普金森压杆在室温下进行了应变为 10 2 ～ 10 3 s-1的冲击压缩实验 ,同时采用波形整形器使入射波的上升沿变宽 ,更好地满足试件中应力应变均匀分布的条件 ,使实验更接近常应变率加载的条件。结果表明 ,酚醛树脂是一种应变率敏感材料 ,在室温下和高应变率下表现出冲击脆化的特征。     

肌肉类粘弹性超软材料SHPB实验的应力应变均匀性分析

试样的轴向应力和应变均匀问题是霍普金森杆实验行之有效的必要条件,而这对肌肉类粘弹性超软材料尤为重要.本文用量纲分析法,分析出了影响粘弹性材料SHPB实验应力和应变均匀性的无量纲量,结合LS-DYNA数值模拟方法,考察了各无量纲量对粘弹性材料均匀性的影响规律.结果表明,为使肌肉类材料SHPB实验更早达到均匀条件,理想的入...     

单轴双向加载分离式霍普金森压杆的数据处理方法

本文中提出单轴双向加载分离式霍普金森压杆（bidirectional-load split Hopkinson compression bar,BSHCB）,即在传统的分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）的基础上增加另一个对称的入射波,两边的入射波同时且对称地对试样进行动态加载。根据一维应力波传播理论,推导出单轴双向加载分离式霍普金森杆的数据处理公式。通过数值模拟分析发现,所推导的数据处理公式可以用于计算单轴双向加载实验中试样的工程应力、工程应变和工程应变率。此外,单轴双向对称加载不仅可缩短试样内部应力均匀化的过程,而且可以提高试样应变率。     

标准霍普金森压杆配置下的应力波分离及无时限实验数据处理

在经典一维应力波理论基础上以及试件受力平衡假定成立的条件下,提出了一种在标准霍普金森压杆实验配置下实现杆中左、右行应力波分离的新方法,可简单有效地解决常规霍普金森压杆在长时实验时左、右行波信号重叠的问题,从而保证实验中的全部应变测试数据都可以加以利用,显著提高了霍普金森压杆的测试能力。给出了新的基于杆中左、右行应力波信号的实验数据处理公式。作为霍普金森压杆实验中经典数据处理公式的扩展,在测试信号不需要进行波分离处理的情况下,新的数据处理公式等同于经典公式。利用ABAQUS有限元软件对霍普金森压杆实验进行了数值模拟,采用虚拟实验的方式,利用模拟测试点的应变信号进行了多种实验条件下的数据处理,对该应力波分离方法的有效性及误差进行了验证与评价。数值模拟结果表明,该应力波分离方法可以给出很好的数据处理结果。在标准霍普金森压杆上进行了部分实验并利用新的波分离方法及公式对数据进行处理,所得结果令人满意。     

一维应力预加载下红砂岩冲击力学特性试验研究

为研究高地应力下再受动力扰动的岩石力学特性,利用改进的岩石动静组合加载SHPB试验装置,对红砂岩进行一维预应力状态下岩石的冲击力学特性试验。选取4个轴压水平,进行不同应变率下的动加载试验。研究结果表明:不同应变率下,岩样在破坏阶段出现"峰后塑性"、"应力跌落"、"应变回弹"三种类型,岩样的割线模量随轴压的增大先增大后减小;相同轴压下,岩样的动态抗压强度和单位体积吸收能随着应变率的增大而增大,分别呈现出指数函数关系和线性关系;相同应变率下,岩样的动态抗压强度和单位体积吸收能随着轴压的增大呈先增大后减小的趋势;无轴压条件下,岩样为拉伸破坏模式,有轴压条件下,岩样为剪切破坏模式。     

基于激光干涉测试技术的分离式Hopkinson压杆实验测试系统

分离式Hopkinson压杆（SHPB）实验的传统测试技术是基于应变片的电测技术,测试结果的可靠性强烈依赖于应变片与杆之间粘贴质量,受到人为因素的影响较大。本文中采用基于多普勒频移原理的双探头全光纤激光干涉测速技术,以粒子速度为监测目标,借助应力波传播理论,换算成试件的应变和应力,从而建立了SHPB实验的非接触光学测试系统。针对韧性和脆性两类材料,分别提出了激光正入射和激光斜入射两种测试技术。再以铝合金和PZT陶瓷为例,通过与传统的应变片测试结果以及DIC测量结果的对比分析,验证了两种测试技术的有效性。与传统的应变片测试技术相比,新的激光干涉测试技术具有免标定、抗干扰、可靠性高等许多优点,有助于实现SHPB实验测试系统标准化。

     

冲击载荷下盐岩的力学性能和本构关系研究

利用直径75mm的大尺寸SHPB实验装置开展盐岩的动态压缩性能实验研究,得到了其动态应力应变曲线。分析表明,在冲击压缩载荷作用下,盐岩材料有明显的损伤软化现象和应变率效应。针对实验曲线,通过引入描述材料强度随应变率强化的应变率增强因子和随不可逆变形发展而弱化的损伤因子,提出了含损伤率的相关动态本构模型,拟合得到的本构方程形式比较简单,能够较好地反映盐岩动态实验加载过程的主要特征,具有一定的工程应用价值。     

Laplace变换法研究SHPB实验中试件的黏弹性波传播问题

对分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB) 实验中试件的黏弹性波传播的控制方程组进行Laplace 变换,并结合恰当的初始-边界条件求解,得到变换域的应力、速度、应变等变量的像函数的精确表达式. 采用该方法处理SHPB 实验中涉及黏弹性试件内部应力非均匀性问题,并给出数值反变换解. 作为特例,对于弹性试件分别采用级数展开法和留数定理进行反Laplace 变换,从而给出弹性夹层介质中应力波传播问题的解析解.      

Determination of Early Flow Stress for Ductile Specimens at High Strain Rates by Using a SHPB

In a dynamic experiment to obtain the high-rate stress–strain response of a ductile specimen, it takes a finite amount of time for the strain rate in the specimen to increase from zero to a desired level. The strain in the specimen accumulates during this strain-rate ramping time. If the desired strain rate is high, the specimen may yield before the desired rate is attained. In this case, the strain rates at yielding and early plastic flow are lower than the desired value, leading to inaccurate determination of the yield strength. Through experimentation and analysis, we examined the validity and accuracy of the flow stresses for ductile materials in a split Hopkinson pressure (SHPB) bar experiment. The upper strain-rate limit for determining the dynamic yield strength of ductile materials with a SHPB is identified.     

基于数字散斑相关实验测量的材料构型力的计算方法

材料构型力学主要研究材料中的缺陷(夹杂、空穴、位错、裂纹、塑性区等)的构型(形状、尺寸和位置)改变时,所引起的系统自由能的变化。本研究将基于数字散斑相关技术,实验测量材料试件的位移场分布,随后通过材料构型力的定义式,计算求得弹塑性材料中缺陷构型力的分布。其方法概括如下:位移场通过数字图像相关技术测得;应变及位移梯度场利用三次样条拟合获得;线弹性材料应力通过简单线弹性本构方程获取,而塑性材料的表面应力场通过Ramberg-Osgood本构方程计算求得;弹塑性应变能密度分布则由应力-应变曲线数值积分获得。该方法对普通弹性材料或者弹塑性材料均适用,可以用于各种不同的缺陷及缺陷群的材料构型力测量。     

应力波在多层膜状材料中衰减特性的实验研究

脉冲载荷作用下,多层膜状材料衰减应力波的特性及其规律研究在工程结构设计中具有重要意义。本文采用分离式Hopkinson压杆(以下简称SHPB)装置,从实验角度对多层石英布和多层"石英布+聚酯铝膜"两种不同结构类型膜状材料衰减应力波特性进行研究。分析了透射应力波及应力冲量随多层膜状厚度变化的关系。通过对实验数据的拟合,给出了多层膜状衰减应力波能力和材料厚度以及材料结构的数学表征。研究结果表明,两种不同结构的多层膜状材料应力波衰减随厚度的变化关系都遵循指数衰减规律,而具有"多层石英布+聚酯铝膜"叠层结构的材料对应力波的衰减能力略强于单一多层石英布材料。本研究可作为工程应用多层膜状材料衰减应力波的实验依据。     

基于三维数字图像相关方法的面部表情变形测量研究

目前关于人脸面部表情的相关研究正在逐渐应用到各领域,而其研究大多为基于数据库的定性分析。本文将三维数字图像相关方法用于人脸面部表情研究。首先,针对人脸面部图像的具体特点,在深入研究方法原理的基础上,提出以参数优化和消除刚体位移来提高实验测量精度。在此基础上,对普通表情和微表情状态下面部肌肉变形进行精确的计算和定量的研究,分析特定表情的形成原因。实验采用自传式回忆的方法唤起被测试者的基本情绪,随之进行模仿来诱发面部普通表情;采用指导性表达抑制的方法诱发被测试者的微表情。通过对特定表情状态下的肌肉运动进行全场和局部的计算,获得精确的三维位移场和位移矢量场。结果表明,面部微表情状态与普通表情状态的运动规律基本一致,只是位移幅度存在显著差异。实验测量结果与实际情况基本吻合,符合常规认知。不同的是本文将特定表情状态下面部肌肉的运动规律从以往的感性认知上升到精确计算和定量分析的水平,为面部表情的自动识别及形成机理的深入研究提供了良好的基础。     

基于DIHPB技术的高应变率剪切测试方法

在测试材料动态力学性能时,直接撞击式霍布金森压杆（direct impact Hopkinson pressure bar,DIHPB）实验系统相对于分离式霍布金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）,往往能获得更高的应变率。本文中采用一种新型双剪切试样,在DIHPB系统下对603钢进行了动态剪切测试。获得了603钢在应变率1 500～33 000 s⁻¹的剪应力-剪应变曲线,并与SHPB系统下的测试结果进行了对比。结果表明,由两种测试方法获得的流动应力具有较好的一致性,但曲线的上升沿存在明显区别。采用数值模拟对DIHPB方法的准确性进行了验证,并对该实验方法的适用条件进行了分析。采用DIHPB方法,可以观察到603钢的流动应力存在明显的应变率效应,但在较高的加载速度下材料的失效应力随着加载速度的增加而呈降低趋势。

     

应力脉冲在SHPB实验中弥散效应的数值模拟与频谱分析

在评判不同材料的整形器对加载波形的改进效果的应用背景下,对比研究了不同形态的应力脉冲在霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)中的弥散效应。利用有限元软件LS-DYNA建立了杆件的三维有限元模型,在杆端分别施加矩形、三角形和半正弦形的应力脉冲,分析了波形振荡、前沿升时和应力峰值随传播距离的变化规律,并运用频谱分析的方法进行了理论解释。结果表明:三角应力脉冲和半正弦应力脉冲在各个方面都比传统的矩形应力脉冲表现出了更小的弥散效应;半正弦应力脉冲在传播过程中比三角应力脉冲更能控制其形态,能有效地减少弥散效应,提高Φ100mm SHPB实验精度,是岩石类非均质材料的理想加载波形;频谱分析的方法能从理论方面有效地解释应力脉冲信号在SHPB实验中的弥散现象。由此可见,波形整形设计的理想目标为具有较宽历时的半正弦应力脉冲。     

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。     

大理岩动态劈裂拉伸的SHPB实验研究

利用直径100 mm的Hopkinson压杆和薄圆形铝片作为波形整形器,用不同弹速径向冲击平台巴西圆盘试样以研究大理岩的动态拉伸强度。分析了试样的应变率、破坏时间、破坏模式,以及破坏过程中的载荷-应变关系,得到了关于大理岩在高应变率下拉伸强度及弹性模量的一些结论。考虑了试样的尺寸大小及两个平台附近应力的时间不均匀性与空间不均匀性对实验结果的影响。同时,利用有限元法对平台巴西圆盘试样的动态应力分布进行了数值模拟,验证了动态劈裂拉伸实验的有效性。