复杂应力状态下材料层裂特性探讨

在综述一维平面应变下层裂研究特点和研究方法的基础上,采用实验转换的方法,近似模拟球面层裂的受力特征,获得了不同预应变下LY12铝合金层裂信号,表明材料的层裂强度与所处应力状态密切相关。结合这些研究成果,探讨了复杂应力条件下层裂的新特征,讨论了可能用于层裂研究的方法及其改进措施。     

预应力对LY12铝层裂强度的影响

通过过盈配合的热装配方法和机械夹紧方法对LY12铝合金平面样品施加了径向预应变,采用平面飞片撞击方法获得了预应力对层裂特性的影响。结果表明:当飞片以500 m/s的速度撞击样品,预应变为0（无预应变）、25110-6、1 10810-6、1 88610-6时,层裂强度分别为1.130、0.935、0.755、0.643 GPa,初始预应力（变）明显降低了LY12铝层裂强度,证实了材料的层裂强度与初始应力状态密切相关,可为以后的非一维平面应变下的层裂研究提供参考。     

晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响

采用不同热处理工艺制备了3种晶粒尺寸（60、100、500 μm）的高纯铝板材,利用平板撞击实验研究了其层裂行为。通过改变飞片击靶速度,在靶板中实现初始层裂状态和完全层裂状态。基于自由面速度时程曲线和微损伤演化及断口显微形貌分析,讨论了晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响规律。实验结果显示:（1）晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响强烈依赖于冲击加载应力幅值,在低应力条件下,层裂强度与晶粒尺寸之间表现出反Hall-Petch关系,而在高应力条件下,晶粒尺寸对层裂强度几乎没有影响;（2）随着晶粒尺寸的增大,靶板损伤区微孔洞的尺寸和分布范围均增大,但数量显著减少,在微孔洞周围还发现比较严重的晶粒细化现象;（3）随着晶粒尺寸的增大,层裂微观机制从韧性沿晶断裂向准脆性沿晶断裂转变,且在断口上观察到少量随机分布的小圆球,归因于微孔洞长大和聚集过程中严重塑性变形引起的热效应。     

完整岩石拉压应力状态下的张裂破坏准则

一点的应力状态可由3个主应力$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$来表示, 当规定主应力以压为正时, 沿最大主应力$\sigma_{1}$方向将产生收缩变形, 若中间主应力$\sigma_{2}$和最小主应力$\sigma_{3}$都远小于$\sigma_{1}$, 则沿$\sigma_{2}$和$\sigma_{3}$方向会产生横向扩张变形, 当横向扩张变形达到一定极限时, 将会在平行于$\sigma _{1}$的方向产生张裂破坏. 如何建立这种张裂破坏的强度准则目前尚缺乏研究, 最大拉应变理论(第二强度理论)有时被用来解释张裂破坏, 但最大拉应变理论难以应用于三向受力状态. 本文分别用$\varepsilon_{1}$, $\varepsilon_{2}$表示最大张应变和次大张应变, 则最大拉应变理论认为当$\varepsilon_{1}$达到单向拉伸屈服应变时, 材料将产生破坏. 而本文将根据$\varepsilon_{1}+\varepsilon_{2}$之和达到极限值$\varepsilon_u$来建立张裂破坏准则. 可以证明$\varepsilon_{1} +\varepsilon_{2}$所表示的是$\sigma_{1}$主平面的面积增长率. 当$\sigma_{3}<\sigma_{2} \ll \sigma_{1}$时, 大部分岩石都具有脆性破坏的特点, 所以可将破坏前的岩石视为满足广义胡克定律的线弹性材料, 这样用$\varepsilon_{1}$, $\varepsilon_{2}$表示的强度准则可通过$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$来表示. 在这个过程中还可考虑岩石在拉伸和压缩时具有不同弹性参数和强度的特点, 并可通过单向拉伸和单向压缩的破坏状态来确定$\varepsilon_u$. 不管$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$是压应力, 还是拉应力, 或者$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$中有拉有压的情形, 基于$\varepsilon_{1} +\varepsilon_{2} =\varepsilon_u$都可建立相应的强度准则. 所建立的准则可以反映中间应力$\sigma_{2}$对强度的影响规律, 通过建立的强度准则还可以证明: 静水拉力能引起屈服, 而静水压力不能产生屈服; 压缩破坏能使塑性体积增大, 其结果比Mohr-Coulomb准则更能反映实际情形. 并通过拉压应力状态下的试验数据验证了所建立的强度准则, 所得理论计算结果和已有的试验数据吻合得很好. 通过提出的强度准则和圆盘劈裂的试验结果, 可获得更为可靠的岩石单轴抗拉强度.      

脆性材料中应力波衰减规律与层裂实验设计的数值模拟

对混凝土、岩石类脆性材料的层裂实验进行了有限元模拟,研究了应力波在此类材料中传播的衰减规律,包括两类机制:弹性波因大尺寸试样的几何弥散产生的小幅度线性衰减、与应变率相关的黏塑性波因本构关系导致的指数衰减。在此基础上,提出了包含常数项的指数型应力波峰值拟合公式。建议采用可以忽略应力波衰减影响的细长形试样进行层裂实验。混凝土类脆性材料层裂破坏模拟结果显示,有限元模拟得到的层裂片厚度与一维应力波理论得到的结果非常吻合,验证了按一维应力波理论确定层裂强度的实验方法的有效性。通过对比3种不同入射波形下层裂片的形状和净拉应力波形,发现不对称的入射波形状更有利于实验获得平直的层裂断面和较准确的层裂强度。     

预制缺陷对花岗岩层裂破坏的影响

利用50 mm杆径的霍普金森压杆装置对完整和预制缺陷花岗岩试样进行层裂破坏实验,并采用高速摄像仪记录了试件层裂破坏的全过程。通过理论分析,计算了半正弦波加载情况下完整杆可能的初始层裂位置。高速摄影结果显示,预制缺陷对初始层裂位置具有一定影响,层裂一般发生在预制缺陷处。结合PFC2D（particle flow code in two dimensions）数值模拟进一步发现,初始层裂位置受到预制缺陷和反射拉伸波上升沿的影响,反射拉伸波上升沿越长,初始层裂越可能发生在预制缺陷处,反射拉伸波上升沿越短,初始层裂位置发生在预制缺陷处的可能性则相对越小。     

混凝土材料的层裂特性

利用Hopkinson压杆作为实验设备,通过试件后面吸收杆上应变波形研究了混凝土材料的层裂特性。不同强度混凝土在不同加载率下的实验结果表明,混凝土层裂强度与其压缩强度以及加载速率有关,给出了层裂强度和压缩强度以及加载率之间关系的经验公式,并指出不同加载速度下混凝土裂纹扩展方式不同是层裂强度率效应的主要原因。加载压缩波损伤的影响、重复加载实验以及多次层裂的顺序都表明,损伤对混凝土的层裂过程有重要影响。     

混凝土一维应力层裂实验的全场DIC分析

基于74mm直径分离式Hopkinson杆(SHPB)实验平台进行了混凝土杆的一维应力层裂实验.采用超高速相机(采样频率:2 $\mu$s/frame)结合数字图像相关法(DIC),记录混凝土试件中的动态位移场实时变化情况,探讨了混凝土在拉伸断裂过程中的表面位移场及速度场演化规律.针对实验中出现的多重层裂现象,基于一维应力波传播理论,指出各个位置在发生层裂时,其最大拉应力均由透射压缩波与反射拉伸波叠加而成,各处层裂发生时均处于一维应力状态.并提出了根据层裂位置左右两点速度趋势变化判断层裂发生时刻的判据.该判据可以给出所有层裂的起裂时间,结合DIC分析直接给出了混凝土多重层裂应变.结果显示混凝土的拉伸强度具有明显的应变率效应,在30 s$^{-1}$的应变率下,其拉伸强度的动态增强因子(DIF)可以达到5.与传统的波叠加法和自由面速度回跳法相比,DIC全场分析法不受加载波形限制,可以精确给出每个层裂的位置和起裂时间,从而得到试件在高应变率加载下不同位置处的断裂应变、拉伸强度及相应应变率,提高了测量效率.      

一种铝合金层裂破坏的分形形貌与微结构的相关性

针对高速冲击下材料的层裂破坏,用盒子计数法和码尺法计算了一种铝合金的层裂剖面的分形维。结合层裂破坏形貌的微观观测讨论了分形标度区范围。测定了材料的微结构分布,对材料中的二相粒子尺寸,晶粒尺寸以及相邻的二相粒子间距的分布,层裂破坏形貌展示的自相似范围和计算分形维数时的标度区范围进行比较,发现相邻的二相粒子间距的分布范围和层裂破坏形貌的自相似范围以及分形维的标度区范围是相当的。     

延性材料动态损伤演化模型研究

从微损伤系统的统计描述出发,应用Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ理论的物理思想,考虑了微孔洞间的相互作用,建立了延性材料动态损伤的统计演化模型。结果能够描述材料在外载作用下的损伤弱化效应。还分析了材料变形中的两种不同的耗散机制,考虑了含损伤的本构关系。将上述模型用于几种材料的层裂过程数值模拟,并与实验结果作了初步比较。     

三向应力状态下材料的力学强度理论

通过对古典强度理论和苏联切略依海尔、巴兰金等人所提出的强度极限曲面的分析,本文提出一个新的见解;并通过强度条件的选择和各项参数的研究,导出了一个计算强度的公式。经过与实验结果比较、分析,证明这一公式计算结果与实际情况比较接近。      

多孔材料冲击特性的数值研究

使用物质点方法对多孔材料的冲击响应过程进行模拟研究.重点考察了孔隙度、冲击波强度和空隙平均大小对波后物质状态参量的影响,计算了局域旋度和散度随时间的演化及其涨落. 研究表明,在孔隙度较低时, 波后系统可以达到一个近似动力学平稳态,下游区域的空隙反射回的稀疏波使得物理量随时间轻微振荡.在孔隙度较大时, 波后物质不易被压实, 冲击波的衰减明显.在孔隙度一定的前提下, 更大的平均空隙导致波后系统温度的进一步提高.冲击波的衰减速率依赖于孔隙度、平均空隙大小和冲击波强度.局部湍流和体积耗散是非均匀材料中机械能转化为热能的重要机制;加载的冲击波越强, 材料的多孔特征越显著.压强、密度、温度、粒子速度趋于或远离平衡的节奏并不同步.      

高强铝合金的动态拉伸断裂行为实验研究

采用不同的冲击加载方式对棒材铝合金(2024-T4、7075-T6)进行动态拉伸断裂实验研究.单轴动态拉伸加载下7075 T6的初始屈服应力与断裂应变明显高于2024 T4,但三点弯曲和层裂实验中,2024 T4表现出更好的抗裂纹扩展与层裂失效能力.断口扫描电镜分析发现:2024-T4中孔洞或裂纹主要成核于晶内强化相,形成穿晶断裂,而7075-T6部分孔洞或裂纹在晶界成核增长形成沿晶断裂,部分孔洞或裂纹在晶内强化相周成核形成穿晶断裂.     

球形密闭夹芯结构在内爆载荷作用下的响应分析

轻质夹芯结构在能量吸收领域有很广泛的应用。本文采用数值仿真的方法分析了球形密闭夹芯结构在内爆载荷作用下的动态响应。发现与主要靠夹芯层吸能的平板或曲板结构不同,球形密闭夹芯结构的内壁在能量耗散中起关键作用。与相同质量的均质球壳相比,夹芯层可以有效地降低外壁的变形和应力水平。此外,利用理论分析的方法,得出了几何尺寸对球形夹芯结构能量吸收特性的影响。最后指出,在爆炸容器的设计中,如果充分利用球形夹芯结构的内壁进行耗能,可以显著提高结构的抗爆当量。     

RESPONSE OF SPHERICAL SANDWICH STRUCTURE UNDER INNER BLAST LOADING

轻质夹芯结构在能量吸收领域有很广泛的应用。本文采用数值仿真的方法分析了球形密闭夹芯结构在内爆载荷作用下的动态响应。发现与主要靠夹芯层吸能的平板或曲板结构不同,球形密闭夹芯结构的内壁在能量耗散中起关键作用。与相同质量的均质球壳相比,夹芯层可以有效地降低外壁的变形和应力水平。此外,利用理论分析的方法,得出了几何尺寸对球形夹芯结构能量吸收特性的影响。最后指出,在爆炸容器的设计中,如果充分利用球形夹芯结构的内壁进行耗能,可以显著提高结构的抗爆当量。     

便携式电子产品的跌落冲击响应--试验,仿真和理论

便携式电子产品经常在相对恶劣的环境中使用, 在运输和使用时可能会跌落至地面或撞击到其他物体上. 本文概述了便携式电子产品的冲击响应和冲击防护这一新领域的研究状况. 介绍了该研究领域的工业背景和行业标准, 系统评述了相关的研究, 包括实验(跌落试验、冲击试验), 数值仿真及理论模型等方面的进展.      

爆轰载荷作用下球形空腔的动力响应

以位移为未知量,利用拉普拉斯变换法,研究了球形空腔在爆轰载荷作用下的动力响应问题,获得了问题的参数解,并通过直接代入,验证了解的正确性。     

冲击载荷作用下颗粒材料动态力学响应的近场动力学模拟

颗粒材料在冲击载荷作用下的动态力学行为是学术界关注的热点问题. 新近问世的近场动力学(peridynamics)理论将材料视为由大量有限体积和有限质量的物质点组成,基于非连续性和非局部作用假定建模,建立空间积分形式的运动方程,自然适应于颗粒材料动态力学行为的描述与分析. 发展了描述颗粒间接触作用的物质点尺度的排斥力模型,考虑近场动力学方法中非局部长程力特征,改进了近场动力学中的初始微观弹脆性(prototype microelastic brittle, PMB) 模型的本构力函数,并消除了原PMB 模型中存在的“边界效应” 问题. 计算分析了冲击载荷作用下碳化钨陶瓷颗粒体系的动态力学响应,得到了不同冲击速度下颗粒体系的冲击波速,PD计算结果与试验结果高度一致;通过颗粒物质点尺度作用描述单颗粒尺度的接触作用,很好地再现了颗粒的转动与平动、颗粒挤压变形以及颗粒破碎等现象;刚性冲击板附近同时存在严重的颗粒破碎与轻微的颗粒损伤,远离冲击板的部分颗粒出现破损,且颗粒破碎主要是由颗粒间挤压、碰撞以及相对滑动剪切作用造成的. 研究结果表明,所发展的计算模型和分析方法能很好地反映颗粒材料动态力学行为,具有广泛的应用价值.      

两种缓冲材料的应力松弛实验分析

用逐次残余法分析了聚乙烯和聚苯乙烯缓冲材料的应力松弛试验数据．结果表明可用有限个并联的Ｍａｘｗｅｌ模型来表示这两种材料的应力松弛试验曲线．