高应变率下计及损伤演化的材料动态本构行为

材料在高速变形过程中常常伴有不同形式的内部缺陷或微损伤的演化。大量的实验观察表明,损伤演化同时依赖于应变、应变率和温度,而且高应变率和低温之间有某种等价性。由此基于热激活机制,提出了同时依赖于应变率和应变的微损伤演化律,及相应的计及损伤弱化效应的率型本构关系。以聚丙烯/尼龙（PP/PA）共混高聚物为例,具体研究了其计及损伤演化的ZWT本构关系,并区分其率相关的本构响应及率相关的损伤演化响应。     

高应变率大变形下的聚丙烯/尼龙共混高聚物损伤型本构特性

对两种采用不同相容剂的聚丙烯（PP）和尼龙（PA）共混高聚物材料在大变形下的粘弹性力学行为进行研究,着重考察应变率效应和损伤的演化,从而分析不同的界面分子设计对共混体系材料宏观性能的作用。在准静态及冲击实验研究的基础上,基于ZWT非线性粘弹性模型,并结合了遗传算法,分别得到了能有效描述两种共混高聚物大变形阶段计及损伤的非线性粘弹性本构关系。两种材料在不同加载条件下表现出明显不一致的性能,原因在于其损伤演化的率相关性,且两种材料的大变形机制存在一定的差别,能用ZWT方程进行描述的范围也不一样。     

基于元件组合理论的砂岩动态损伤本构模型

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）系统,对砂岩进行不同速度下的冲击试验,得到砂岩的应变率效应特征以及典型的动态本构曲线。该曲线分为近似线弹性阶段、塑性阶段、塑性增强阶段和正向卸载阶段。通过组合模型的方法,构建了砂岩含损伤的动态本构模型,借助LS-DYNA软件中的用户材料子程序UMAT接口实现对本构模型的二次开发,并对砂岩在冲击速度为7.5、9.5、11.5和13.5 m/s 4种情况下的SHPB动态冲击压缩试验进行模拟。结果表明:所构建的模型可以很好地描述砂岩的应变率效应和应力-应变曲线弹性段,并且动态峰值强度、最大应变均与试验结果一致,应变率、峰值强度、最大应变与试验结果的相对误差不超过10%。所构建的砂岩动态本构模型能够准确地描述砂岩在冲击作用下的动态力学特性。     

不同应变率下煤岩破坏特征及其本构模型

利用直径50 mm的分离式霍普金森压杆,对煤岩展开20～100 s?1动态应变率下的单轴冲击压缩试验,结合高速摄影分析其变形破坏特征,并建立基于Weibull统计分布和Drucker-Prager破坏准则的煤岩动态强度型统计损伤本构模型。试验结果表明:（1）煤岩动态应力-应变曲线存在明显的非线性特征,随应变率升高,动态抗压强度与弹性模量均呈线性增长且增幅显著,破坏形态由低应变率下的轴向劈裂破坏向高应变率下的压碎破坏过渡;（2）在动态应变率20～100 s?1下,煤岩破坏后碎块具有明显的分形特性,破碎块度分维值为1.9～2.2,且随着应变率的升高,煤岩破碎程度增大,碎块块度减小;（3）基于Weibull分布参数F₀、m和应变率的关系,修正煤岩的本构模型,并与试验结果进行对比,验证该模型的合理性。     

基于分形理论的高强混凝土动态损伤本构关系

基于高强混凝土（HSC）试块在SHPB冲击实验中的分形损伤演化规律,推导了HSC的分形损伤变量表达式,标定了HSC裂纹的分形维数范围。然后参考ZWT模型,并结合HSC实验过程中的应变率相关性、动态损伤特性及近似恒应变率,推导了分形损伤演化的HSC动态损伤本构方程。采用4组应变率工况下的C60、C80混凝土应力-应变曲线对本构方程进行验证,理论曲线和实验曲线吻合较好。

     

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。     

5A06铝合金的动态本构关系实验

运用材料试验机和分离式霍普金森压杆装置(SHPB)对3种不同加工及热处理状态的5A06铝合金在常温~500 C、应变率为10-4~103 s-1 下的力学行为进行了实验研究。基于Johnson-Cook (JC) 本构模型,通过实验数据拟合得到了每种状态下材料的本构模型参量。对Johnson-Cook本构模型中的应变率强化项作了修正,修正后的Johnson-Cook本构模型与实验数据基本吻合,从而确立了3种状态下5A06铝合金的动态本构关系。     

PMMA材料的动态压缩力学特性及应变率相关本构模型研究

利用INSTRON万能试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB)对PMMA试件在较宽应变率范围内进行了单轴压缩实验,研究加载应变率对PMMA材料力学性能的影响.利用扫描电子显微镜对回收的试样进行了显微观察,重点分析不同加载应变率下PMMA的微观损伤破坏模式.结果表明:随着应变率的增大,PMMA的流动应力显著地增加,且冲击加载条件下,峰值应力的应变率敏感性明显高于准静态;在准静态加载条件下,PMMA试样呈现明显的延性破坏特征,在动态加载条件下则表现为脆性破坏.最后,对PMMA材料的ZWT粘弹性本构模型参数进行了拟合,拟合结果与实验结果吻合较好,表明该本构模型能够较好地描述较宽应变率范围内PMMA材料的应力应变关系.     

基于细观结构的HTPB固体推进剂含损伤粘弹性本构模型研究

基于对HTPB推进剂的拉伸试验,结合推进剂的细观结构对拉伸曲线进行分段和拟合;建立了推进剂四阶段损伤模型,并将推进剂的力学性能构成分为基体-颗粒界面和基体两部分,提出了推进剂杨氏模量的叠加模型;在试验和拟合结果的基础上,分别建立基体-颗粒界面和基体的损伤方程,较为准确地描述了推进剂拉伸损伤过程,并将其引入杨氏模量的叠加...     

酚醛层压材料的冲击力学行为及本构模型

为了研究酚醛层压材料的冲击力学行为并获得本构模型,利用万能试验机和整形修正的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对材料试样进行了应变率范围为10^-3~10³ s^-1的单轴压缩实验,得到了不同加载应变率下的应力应变曲线,对其在准静态、动态载荷下的压缩破坏机理进行了初步探讨。结果表明,酚醛层压材料具有较强的应变率效应,与准静态(1.67×10^-3 s^-1)时相比,在动态载荷(7×10² s^-1)下,峰值应力增加了约10倍;破坏应变减少了约一半;在准静态和动态加载条件下试样力学性能的差异是由于纤维基体界面特性以及不同应变率下破坏模式的不同;采用朱-王-唐本构方程描述了酚醛层压材料力学行为,拟合得到了本构方程的系数,在加载过程中,理论计算值与实验结果吻合较好。

     

冲击载荷下混凝土材料的动态本构关系

利用改装的杆径为 74mm的直锥变截面式大尺寸Hopkinson压杆对混凝土材料进行冲击压缩实验 ,系统研究了混凝土的应变率硬化效应 ,采用一种新的方法损伤冻结法对混凝土材料在冲击载荷下的损伤软化效应进行了系统研究 ,给出了冲击载荷下混凝土的损伤演化方程 ;在对数据进行合理分析的基础上 ,结合粘弹性本构理论 ,得到混凝土材料的损伤型线性粘弹性本构关系。     

较低应变率大应变条件下聚氨脂泡沫材料的态力学性能实验

利用加长型分离式霍普金森压杆(入射杆长6000mm、子弹长800mm)研究聚氨脂泡沫材料在较 低应变率大应变条件一维应力状态下的动态力学性能,获得了约550s的长加载脉冲,得到了该材料在应变 率520s-1、应变0.15条件下的应力应变曲线,对较低应变率条件下,应变率与动态应力平衡之间的关联进行 了讨论。     

高温高应变率下异种不锈钢激光焊接件的力学性能

利用改进的SHTB实验设备,对316L和304不锈钢焊接结构的动态力学性能进行了实验.提出了一种适用于焊接结构件的新型的SHTB夹持装置,并在应变率约103 s-1、温度为25～500℃的环境下获得了焊接结构件动态应力-应变曲线.研究表明:随应变率的升高,结构件的屈服强度和抗拉强度随应变率的增大而增大,随温度的升高而降...     

不同应变率下泡沫铝的形变和力学性能

对低密度泡沫铝在不同变形率下的形变和力学性能进行了系统的试验研究。结果表明:（1）沿剪切方向骨架首先塌陷,即变形的局部化是低应变率下块体泡沫铝的主要变形特征;（2）在不同应变率下泡沫铝表现出体积应变基本上随工程应变呈线性变化,在低应变率下泊松比随轴向应变呈幂次关系增加,但在高应变率下泊松比随塑性应变增加,从一峰值降低并趋于稳定;（3）低应变率下泡沫铝材料塑性变形均匀,而高应变率下剪切变形较大;（4）泡沫铝材料的强度对应变率不很明显,但随塑性应变增加,它的率敏感性增加。     

高应变率下航空透明聚氨酯的动态本构模型

采用低阻抗分离式霍普金森压杆对航空透明聚氨酯进行了高应变率下的动态力学性能测试,得到的应力应变曲线表现出了显著的非线性黏弹性特征。基于本构理论和实验数据,构建了航空透明聚氨酯的松弛时间应变相关的超黏弹性本构形式。该本构模型由2部分组成:一部分表征准静态下的超弹性行为,另一部分描述非线性应变率的相关特性。利用超黏弹性本构模型对不同应变率下航空透明聚氨酯的动态应力应变曲线进行拟合,拟合曲线与实验曲线一致性良好。     

确定材料在高温高应变率下动态性能的Hopkinson杆系统

描述了一种利用Hopkinson杆装置确定在高温（温度可高达1 173 K）、高应变率下材料动态性能的试验方法。在试样加温过程中,试样不与入射杆及透射杆接触。当试样加热到预定温度时,气压驱动同步组装系统,推动透射杆及试样,使得应力波到达入射杆与试样接触面时,入射杆、试样及透射杆紧密接触。利用以上系统,完成了连铸单晶铜及上引法连铸多晶铜从室温到1 085 K范围内的应力应变曲线。测试结果表明,不论是上引法连铸多晶铜还是连铸单晶铜,流动应力随温度的升高而下降,在温度低于585 K时,材料的应变硬化率明显大于在温度高于585 K时的应变硬化率。     

YB-2航空有机玻璃的应变率和温度敏感性及其本构模型

为了理解和评价YB-2航空有机玻璃在极端环境下的动态力学性能,采用电子万能试验机和分离式Hopkinson压杆对YB-2航空有机玻璃在218~373 K温度范围、10^-3~3 000 s^-1应变率范围内的压缩力学行为进行了研究,得到了材料的应力应变曲线。结果表明：随着温度的升高,材料的流动应力逐渐减小而破坏应变呈现增大的趋势;温度相同时,材料的流动应力随应变率的增加而增大,破坏应变随应变率的增加而减小。随着应变率的提高,材料的应变软化效应更加剧烈。基于朱-王-唐(ZWT)本构模型,得到了考虑温度效应的本构参数。结果显示,在8%应变范围内,改进的考虑温度效应的本构模型可以较为理想地表征该材料的应力应变响应。