ZWT非线性热粘弹性本构关系的研究与应用

回顾和介绍了源于高分子材料非线性热粘弹性本构特性研究的ZWT（朱玉唐）本构模型。该模型揭示了高聚物在跨越准静态到冲击动态8个量级应变率范围和大应变下的本构非线性来自纯弹性响应而其率相关响应基本呈线性;发现准静响应和高应变率响应分别由各自的特征松弛时间控制,而各自的影响域仅为4．5个量级应变率;在同时考虑湿度效应后发展了非线性热粘弹性本构模型,并建立了相应的时间／速率与温度间的互换／等效关系;实验证实ZWT方程对热固性塑料、热塑性塑料和高聚物基复合材料都适用,并可推广到混凝土;在研究了材料内部损伤在冲击大变形下的率相关抽伤学化律后,进一步提出了计及损伤率型演化的ZWT方程和相应的双变量（应变、应变率）动态破坏准则;基于ZWT方程研究了粘弹性波的弥散和衰减特性,指出存在一个由高应变率松驰时间占统治地位的“有效传播时间”或“有效传播距离”;进而一方面提出了一个确定高聚物在高应变下粘弹性本构方程的反问题解法,另一方面把传统的SHPB弹性压杆技术推广到粘弹性压杆,从而可对低波阻抗材料进行冲击试验研究。     

冲击载荷下灰口铸铁力学行为的率效应及其破坏特性

利用ＳＨＰＢ压杆及Ｉｎｓｔｒｏｎ液压伺服材料试验机对灰口铸铁从准静态（应变率１０＾－４ｓ＾－１）列冲击动态（应变率４＊１０＾３ｓ＾－１）进行了宏观与微观相结合的试验研究,得到了该材料在不同应变率下的应力－应变曲线。实验结果表明,灰口帮铁在塑性变形初期对应变率不敏感,随应变增大则具有一定的应变率硬化效应,但在更高应变率下随应变增大会出现反向应变率效应,这些特性与灰口铸铁源于片状石墨处内部微裂纹纹成核     

泡沫混凝土动态力学性能及破坏形式

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对泡沫混凝土在不同应变率下的动态力学性能及破坏形式进行研究, 并使用高速摄影机记录试件的破坏过程. 实验结果表明: 泡沫混凝土的动态极限抗压强度受密度影响, 表现出明显的应变率相关性; 低应变率下, 破坏形式以均匀压实破坏为主; 高应变率下, 破坏形式呈现为逐层塌落形式; 并且, 应力—应变曲线中存在明显的应力平台. 同时, 还讨论了高应变率下应力不均匀性对泡沫混凝土破坏模式的影响.     

纳米橡胶填充环氧树脂的压缩力学性能

鉴于复合材料具有不同于一般材料优异的性能,因此有必要在宽广应变率的范围内（从准静态到冲击动态）来认识纳米粒子的增强增韧效应及其机理．为了对纳米橡胶／环氧树脂的动静态压缩力学性能进行研究,分别在霍普金森压杆（SHPB）和MTS液压伺服材料试验机上进行了纳米橡胶填充环氧树脂复合材料的动静态压缩实验,并将实验结果与细观力学方法的预测性能进行了比较分析,探讨了纳米级橡胶颗粒对基体材料环氧树脂的改性效果．     

利用压杆技术确定与验证一些结构材料的塑性模型(英文)

提出了一种关于材料力学特性的综合研究方法,包括获取材料在宽大的应变率及温度范围下的必要的力学特性,确定或辨别材料的变形及破坏模型的必要参数,并通过特别的实验及数字模拟实验来检验或验证模型的适当性.通过对一些结构金属及合金材料的研究,展现了该方法的应用潜力.     

混凝土材料动态本构关系

利用改装的杆径为φ74mm的直锥变截面式Hopkinson压杆对混凝土材料进行动态压缩实验,系统地研究了混凝土的应变率硬化效应和损伤软化效应,进而拟合出混凝土材料的损伤型线性粘弹性本构关系。     

压缩载荷作用下皮肤的生物力学特性

对皮肤组织在压缩载荷作用下的力学性能进行研究, 可为各类事故中对人体伤害的评估以及防护装置的设计提供一定的参考数据, 也可为皮肤替代品的研发提供重要的理论依据. 选用猪背部皮肤为实验材料, 分别进行低应变率压缩实验研究和霍普金森压杆实验研究, 得到皮肤组织低应变率压缩应力应变关系、压缩—松弛曲线以及高应变率下的应力—应变曲线. 结果表明: 皮肤组织有很明显的粘弹性特征, 尤其在很宽的应变率范围内, 应变率效应特别明显; 并通过超弹性模型与Maxwell粘弹性模型相结合的方式建立了皮肤的生物力学模型.     

对基于质点速度测量的拉格朗日分析法的进一步探讨

针对以往基于质点速度波形测量使用拉格朗日分析法反推材料动态力学性能时,需作某种简化假定或者必须同时实测应力边界,而在实验过程中的边界应力数据在某些情况下测不到或测不准的状况.因此基于路径线法和零初始条件,提出了一种改进的拉格朗日分析法,新方法可不涉及边界应力,直接反推出材料高应变率下的动态应力应变曲线.并且运用该方法对有机玻璃材料的动态性能进行了数值模拟研究分析,其结果与运用特征线法求得到的数据非常吻合,从而证实了该方法的可靠性和有效性.     

薄壁圆管轴向冲击下的动态特性研究

采用落锤冲击实验机和材料实验机(MTS)研究薄壁圆管轴向载荷下的动态力学特性,得到不同冲击速度下的轴向力-位移曲线.发现惯性对薄壁圆管轴向压缩的动态吸能特性影响不大,而落锤不同冲击加载速度即代表应变率的变化引起的薄壁圆管材料屈服应力的提高,使得薄壁圆管比吸能SEA(单位质量结构所吸收的能量)和平均轴向压缩力Pm随着应变率的增加而呈上升趋势.对不同应变率下的Pm进行无量纲化处理,发现实验结果与前人推导的理论结果趋势一致.对比动态和准静态实验结果,发现圆管的动态变形模态相比准静态结果发生了改变,更高速度冲击下薄壁圆管的动态特性有待进一步研究.     

冲击压缩下纯铝中微孔洞塌陷的数值模拟

由于实验中无法观察材料的孔涮在受冲击加载时的变形过程,本文对纯铝中孔洞的变形过程进行了数值模拟.采用了3种材料模型:舣线性模型、塑性随动模型和应变率相关塑性模型,分别模拟了它们在冲击压缩下内部微孔洞的塌陷,并对结果作了详细的比较.结果表明:基体材料模型为双线性模型时,孔洞在冲击压缩下会出现射流现象,应变率的变化和材料的硬化方式不影响孔洞的变形;模型为应变率相关塑性模型时,孔洞在冲击压缩下不会出现射流现象,孔洞的变形与当前应变率和应变率历史相关;模型为塑性随动模型时,孔洞在压缩到某一时刻体积不会进一步缩小,孔洞周围单元会因失效而被删除,孔洞反而有变大的趋势,并且用这种模型模拟孔洞变形时,硬化系数会对孔洞变形有影响.通过对使用3种模型计算结果的比较,可以确定影响孔洞变形的主要因素.     

金属材料的高应变率塑性变形及纳米化

塑性变形方法是目前研究与制备金属纳米晶材料的技术方法之一,包括低应变率变形和高应变率变形2种．作者对金属材料在表面机械研磨和高能球磨这2种高应变率塑性变形条件下的微观组织演化及纳米晶形成机理的研究和最新进展进行了综述,旨在更好地理解该力学条件下金属材料的纳米化现象,以促进纳米材料的制备研究．     

纳米SiO_2/尼龙6复合材料动态拉伸力学性能

纳米复合材料可以显著增加基体材料的某些性能,为了研究其在不同应变率下的力学特性和纳米颗粒的改性效果,利用拉伸式霍普金森拉杆实验装置对纳米SiO2/尼龙6复合材料进行了动态力学实验,以及讨论了应变率效应和纳米颗粒含量对基体的影响和纳米材料的增强机理.结果表明：纳米SiO2颗粒对尼龙6基体具有增强效果.     

低阻抗多孔材料动态弹性模量和剪切模量实验测定

介绍了PVDF压电特性，讨论了用PVDF压电计直接测SHPB实验中试件两端面的应力－时间曲线。并以泡沫铝为例，说明了PVDF压电计能够解决低阻抗多孔材料SHPB实验技术难题。同时，采用在试件的轴向和周向粘贴应变片实测试件的初始段应变－时间曲线，由周向应变与轴向应变之比求得动态泊松比。取轴向实测初始段应变－时间关系再结合PVDF压电计实测到的试件初始段应力－时间关系消去时间参数，可得到试件应力应变关系的初始段，其斜率即为在高应变率下试件的动态杨氏模量，进而与泊松比计算求得动态剪切模量。     

混凝土材料的平板撞击实验与数值模拟研究

通过实验和数值模拟研究了混凝土材料在强冲击载荷（平板撞击）下的动态特性.采用内径57mm的一级轻气炮实验结合高阻锰铜压阻计的动态测试技术,得到了C40混凝土试样的原始电压-时间波形曲线,并换算得到相应的应力-时间波形;分析应力波传播速度,得到材料的最大应变率约为55.40×10s-1,压力峰值区间为0.340~2.702GPa.实测结果表明：不同位置处的压力在快速上升至峰值后均随时间衰减,且冲击波峰值随传播距离快速衰减,呈现出明显的粘弹性特征和耗散特性.并利用LS-DYNA程序对混凝土试样的平板撞击实验过程进行了数值模拟,模拟的应力-时间曲线与实测压力波形走势完全一致,峰值很接近,整体吻合较好.     

高应变率下的率相关损伤演化及其对材料动态行为的影响(英文)

实验和数模结果都揭示动态损伤演化同时依赖于应变和应变率.基于热激活机理提出了一个新的损伤演化率和一个新的断裂准则.为确定材料的损伤参数,发展了两种途径:DM-ZWT途径和BP神经网络途径.两种途径的理论预示都与实验数据很好地相一致.     

TiNi形状记忆合金的高应变率效应(英文)

近年来由于制造加工技术的改善,形状记忆效应和TiNi合金得到研究者、工程师和设计人员越来越多的关注.对形状记忆合金在高应变率下行为的理解取得了较大的进展.文章回顾了钛镍形状记忆合金在高应变率加载下行为的研究进展,并给出了研究年表.观测了在不同温度和应变率下的热-力学响应,以及高应变率对TiNi形状记忆合金的功能特性的影响.提出基于屈服准则来描述马氏体TiNi形状记忆合金的动态力学行为.在实验中通过控制电脉冲的幅度和宽度,确定导致马氏体TiNi合金非弹性应变的临界载荷幅值和特征时间,以及确定基于"孵化时间"概念的屈服参数.     

603、675装甲钢动态性能测试及本构关系建立

利用一维Hopkinson压杆实验设备，对603、675两种装甲钢的动态压缩力学性能进行了较为系统的测试，在此基础上建立了2种装甲钢的Bodner-Partom本构方程，经程序计算与实际试验结果对比，表明本构方程能够较好地反映材料在动载荷条件下的力学行为．     

一种基于微孔洞聚合模型的韧性材料失效判据

通过对阵列微孔洞附近应力场的三维有限元数值模拟计算,分析了韧性材料动态失效强度与材料应变率和材料中微孔洞相对间距的数值关系.基于微孔洞聚合模型,通过对微孔洞相对间距与微孔洞附近局部静水拉应力之间数值关系的分析,认为微孔洞之间韧带上静水拉应力对微孔洞相对间距很敏感,从而建立了以微孔洞相对间距和静水拉应力为参数的韧性材料动态失效判据.基于此失效判据,通过数值模拟得到韧性材料在不同应变率下的材料失效强度,并且可以合理解释韧性材料的动态失效.     

泡沫铝芯体夹层板的冲击力学性能研究

研究了不同应变率下泡沫铝夹层板的动态压缩应力-应变响应特性、吸能特性和应变率敏感性.实验结果表明:泡沫铝夹层板的动态应力应变曲线也具有泡沫材料的应力应变曲线的"三阶段"特征.泡沫铝芯体夹层板与泡沫铝相比,具有更高的屈服极限和更好的缓冲吸能特性.     

对于常规与脉冲造型SHPB分析的讨论

对于用常规SHPB试验确定的材料一维应力动态压缩特性,提出直接考证方法：把确定的试件材料的一维应力本构关系嵌入SHPB试验的全过程数值模拟,基本上再现了实验的反射波和透射波.把由一维准静态及动态压缩试验结果所确定的镁铝合金本构关系嵌入常规SHPB试验的全过程数值模拟,结果表明,采用SHPB试验经典分析所估算的应力、应变、应变率与试件典型差分微元在试验过程中所经受的应力、应变、应变率基本一致.本文对镁铝合金的脉冲造型SHPB试验进行了数值模拟,使试件有相当长的历时处于近乎常应变率状态.因此,对于应变率敏感材料的SHPB试验,入射波造型设计是有意义的.