基于光纤光栅传感器的玻璃纤维复合材料层间应变测试的实验分析

通过对内埋未封装光纤光栅传感器(Fiber Bragg Grating,FBG)的玻璃纤维增强复合材料进行力学实验分析,得到不同试件层间的应变曲线与试件断面的微观截面图.探讨了玻璃纤维复合材料固化过程中温度和压力对FBG传感器的传感性能的影响,深入分析了FBG传感器与玻璃纤维复合材料的融合度以及弯曲实验中FBG传感器检测精度.在试件三点弯曲实验中,与传统电测方法不同,应用新型未封装FBG传感器进行复合材料的层间应变测量,得到的层间应变与载荷数据,拟合直线的线性相关系数均在0.99以上,并且传感器在监测不同试件同一层的层间应变的相对误差不超过5％.为应用FBG传感器检测实际的复合材料构件内部应变以及形成FBG传感网络损伤监测系统提供了实验基础.     

加载速率影响的单裂隙类岩石试样能量演化规律

为了研究加载速率对单裂隙类岩石试样破坏过程中能量演化进程的影响规律,分析裂隙类岩石试样在不同加载速率下的能量响应特征,以预埋金属薄片方法制作的裂隙类岩石试件为研究对象,基于RMT-150B对单裂隙类岩石试样进行四级加载速率下的单轴压缩试验,获得四级加载速率下裂隙类岩石试样力学性能。试验结果表明:单裂隙类岩石试样峰值强度与加载速率呈正相关性,但增长速率随加载速率的增加而减小;当加载速度不断增大时,峰值处试样弹性应变能积聚能力增强,但是耗散应变能随加载速率的增大而逐渐减小;裂隙试样在峰值后会累积弹性应变能,但其积聚能力随加载速率的增大而有所削弱;裂隙试样耗散应变能转化速率在峰值前处于较低水平,在峰值后伴随宏观破裂面的贯通而骤增,表明单裂隙类岩石试样内部能量演化进程与其破坏规律之间具有内在联系。     

花岗岩单轴压缩侧向变形及脆性破坏机制实验研究

为研究花岗岩侧向变形及脆性破坏机制,对花岗岩试件进行单轴压缩实验。利用动态应变采集系统、数字散斑相关方法(DSCM)和显微观测手段,记录并分析花岗岩试件在单轴压缩过程中的宏观侧向应变、局部侧向应变以及破裂面形貌,并与水泥砂浆试件的破坏过程对比,讨论了花岗岩脆性破坏机制。实验与分析结果表明:(1)花岗岩试件在加载初期发生侧向收缩变形,产生并发展于压密阶段,消失于线弹性阶段初期,这主要由于试件内部裂纹闭合造成的;此后,宏观侧向应变持续增长,当侧向应变与轴向应变之比接近0.5时试件破坏;(2)在峰值载荷前很长一段时间内,局部侧向应变在一定范围内波动,临近试件破坏时局部侧向应变最大值和最小值均出现较大幅度的波动,二者差值迅速增大,试件不均匀程度增大,最终导致试件破坏;(3)在峰值载荷前有无塑性屈服阶段是峰值载荷后脆性破坏程度的重要影响因素,而宏观裂纹的贯通程度是峰值载荷后应力降大小的决定因素。     

力-电-初始取向对液晶凝胶薄膜均匀变形行为影响分析

针对液晶凝胶在电场作用下的多场耦合多尺度力学行为,基于小应变假设,通过反逆法获得了有不同初始液晶指向方向的液晶凝胶薄膜在力-电耦合作用下均匀变形的解析模型.分析表明,电场与拉应力都可使液晶指向转动到与其平行的方向,当施加电场的方向与液晶初始取向垂直时,指向矢仅在超过一个临界电场强度后方会失稳转动,指向矢方向施加拉应力将增大所需阈值;而当液晶初始取向不与外加电场垂直时,电致指向矢转动将立即发生,其在力-电耦合下的指向矢转动和宏观变形行为与初始取向密切相关.因此,液晶凝胶的变形行为不仅可以通过力-电载荷进行控制,也可通过设计所需的初始液晶取向加以调节.     

单丝碳纳米管纤维的横向冲击性能研究

由于碳纳米管(CNT)纤维具有优异的力学和电学性能,使其成为人工肌肉、超级电容器和耐撞结构的理想材料.但由于纤维单丝的力学信号较弱,对其横向冲击失效行为的研究尚欠缺.本文基于高精度力传感器发展了纤维单丝在横向冲击过程中的信号测量装置,利用该装置结合扫描电镜对比研究了尼龙纤维和碳纳米管纤维的横向冲击特性.研究结果表明:碳...     

PTFE材料在高应变率冲击下的力学性能

聚四氟乙烯(PTFE)在高速碰撞或者爆炸加载时的应变率可高达106 s-1,高应变率下PTFE材料的力学响应会对其材料性能产生较大影响。本文中采用压剪炮试验系统(PSPI)测试了PTFE材料在高应变率(105~106 s-1)下的压缩力学性能,实验中碳化钨(WC)飞片板以一定速度撞击由前靶板、试件和后靶板组成的三明治结构,并采用激光干涉仪记录后靶板自由面的速度变化。对实验结果处理后得到该PTFE材料的应力应变数值,并拟合得到应力应变曲线。本研究对PTFE/金属复合材料制成的动能侵彻体强度及其冲击碎化机理的分析具有指导意义。     

SHPB试验中岩石试件的端面不平行修正

为研究短圆柱体岩石试件端面不平行对岩石动力学特性测试结果的影响,采用有限元分析软件LS-DYNA对9种端面不平行度和5种杨氏模量的岩石试件开展SHPB(split Hopkinson pressure bar)试验数值模拟,对岩石选用HJC(Holmquist-Johnson-Cook)本构模型。数值模拟结果表明,当端面不平行度在0.40%以内时,端面不平行对动态应力测试结果的影响可忽略不计;但对动态应变测试结果的影响较大。当杨氏模量一定时,平均应变率测试误差和峰值应变测试误差随端面不平行度增大呈线性增大;当端面不平行度一定时,平均应变率测试误差和峰值应变测试误差随杨氏模量增大也呈线性增大。对数值模拟得到的平均应变率测试误差和峰值应变测试误差实施二元线性回归分析,提出了SHPB试验中端面不平行岩石试件平均应变率和峰值应变的修正公式。     

一种基于电磁霍普金森杆的材料动态包辛格效应测试装置及方法

金属材料在复杂载荷条件下的动态力学行为研究一直备受关注,但受限于实验设备,金属材料的动态包辛格效应响应一直都难以获得。为了探究金属材料的包辛格效应与应变率效应之间的关系,本文中提出一种基于电磁霍普金森杆(electromagnetic split Hopkinson bar,ESHB) 的非同步加载实验技术,为测试金属材料在高应变率加载下的包辛格效应提供了一种有效的实验方法。本文中,首先介绍了非同步加载装置的主要特点,即可以用两列由脉冲发生器产生的应力波对受载试样进行连续的一次动态拉-压循环加载,且加载过程保证了应力波的一致性。分析了应力波对试样加载过程中的波传播历程,确保了加载过程的连续性。随后介绍了动态加载过程,数据处理方法和波形分离手段,并对动态加载过程进行应力平衡性分析,论证了实验装置的可靠性。最后采用该方法测试了5%预应变下6061铝合金动态压缩-动态拉伸的包辛格效应,并与准静态下的实验结果进行对比。实验结果表明,该材料单轴压缩没有明显的应变率效应,但其包辛格效应具有应变率依赖性,高应变率下材料的包辛格应力影响因子由0.07增大至0.17,具有显著的提升,这对传统意义上铝合金材料应变率不敏感的结论提出了挑战。     

中应变率材料试验机的研制

本文全面介绍了自行研制的中应变率材料试验机的基本情况,此试验装置可在0.1s^-1-50s^-1应变率范围内对哑铃状圆柱试件和哑铃状扁平试件进行拉伸及加卸载实验,对圆柱状态 试件进行了压缩及加卸载试验,通过采用液压驱动、分级调速、缓冲撞击等技术产生上升沿陡峭的平衡加载脉冲,从而实现中应变率试验;通过自定心夹具、液压缸的精密共轴保证试验的可靠性;辅以定位装置实现对试件的加卸载;同时通过力传感器及配套研制的高动态应变仪、光学引伸仪完成应力、应变的测量,经实验考评,表明装置是可靠的。     

气动加载与振动激励耦合试验方法研究

飞机结构在飞行过程中同时承受气动载荷和振动载荷的联合作用,这两种载荷的耦合加载试验对于飞机结构成为一项重要的研究内容,所以有必要对此类试验的可行性及其耦合加载方式进行研究。此次试验以气囊加载静载/常规疲劳载荷状态下试件的振动响应测试为目的,设计符合试验要求的试件和整套试验装置。得到了气囊5种不同加载情况下试件振动响应变化情况,并对此试验结果进行了理论分析,得出以下结论:a)气囊模拟静载/常规疲劳载荷加载不会大幅改变结构本身振动特性,此耦合试验方法所模拟环境比较接近飞机结构真实载荷环境;b)加载气囊的个数、部位及加载力的不同对试件结构的振动响应有一定影响,应增加气囊蓄能器或在试验前进行分析以选择合理的加载点。     

碳纳米管应变传感器的性能分析:传感介质与制备工艺

利用碳纳米管拉曼特征峰位对其变形的灵敏特性,基于拉曼光谱的碳纳米管应变传感方法,已经实现了针对非拉曼活性固体材料表面微尺度范围内的平面应变分量非接触传感测量。本文侧重该方法在微尺度实验力学研究中的推广应用,从传感介质和制备工艺的选择出发,采用改进后的三种不同工艺,制备了碳纳米管/环氧树脂复合薄膜作为传感介质;综合零载标定实验和步进单轴拉伸标定实验的实测结果,对比分析了不同工艺获得传感介质的应变传感灵敏度、量程、稳定性和时间分辨率四个关键性能指标;最后对传感性能的影响因素进行了探讨。     

聚酯纤维对透水沥青混凝土冲击压缩性能的影响

为研究聚酯纤维对透水沥青混凝土冲击压缩性能的影响,采用?74 mm钢质分离式霍普金森压杆装置对掺杂不同质量分数的聚酯纤维透水沥青混凝土进行冲击压缩实验。在静态和4个应变率下的实验结果表明,透水聚酯纤维沥青混凝土是应变率敏感性材料,具有较强应变率效应。透水聚酯纤维沥青混凝土具有较好的延展性,动态应力应变曲线分为3个阶段:弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段。当应变率相同时,随着掺杂聚酯纤维质量分数的增大,透水沥青混凝土的冲击抗压强度呈现出先升高后降低的变化规律,掺杂聚酯纤维的质量分数为0.40%时,冲击抗压强度达到最大。冲击抗压强度约为静态抗压强度的8~13倍。     

原位微拉曼测试技术在碳纳米管纤维和薄膜材料力学性能研究中的应用

利用宏观应力联合原位微拉曼测试技术对双壁碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)纤维和薄膜材料的力学性能进行了实验分析,探讨了拉伸加载期间纤维和薄膜内CNT的载荷响应及其与宏观力学性能的关联,揭示了两种材料力学性能差异性的微观机理。实验分析表明,CNT纤维和薄膜的拉伸变形呈现弹性、强化和损伤断裂三个阶段,但其内的CNT只发生弹性变形,没有塑性形变,且没有明显的损伤或键的断裂,纤维和薄膜呈现阶段性拉伸变形的原因可归结为滑移。纤维的弹性模量显著高于薄膜,是薄膜的4.7倍,原因是弹性阶段纤维中CNT的轴向伸长对宏观应变的贡献较大。纤维和薄膜的拉伸强度相差较小,原因是强化阶段薄膜内不断有大量CNT进入承载队伍,这也使得薄膜具有比纤维更高的韧性。     

Effect of small size on dispersion characteristics of wave in carbon nanotubes

Effect of small size on dispersion characteristics of waves in multi-walled carbon nanotubes is investigated using an elastic shell model. Dynamic governing equations of the carbon nanotube are formulated on the basis of nonlocal elastic theory. The relationship between wavenumber and frequency of wave propagation is obtained from the solution of the eigenvalue equations. The numerical results show that the dispersion characteristics of wave in the multi-walled carbon nanotube are affected by the small size. Effect of small size is not obvious for the smaller wavenumber, and it will arise and increase gradually with the increase of the wavenumber. Effect of the small size will decrease as the inner radius of carbon nanotubes increases. In addition, the explicit expressions of the cut-off frequencies are derived. The results show that the cut-off frequencies cannot be influenced by the small size of carbon nanotubes.     

微拉曼光谱研究M55JB碳纤维/微滴的拉伸变形行为

使用评价纤维/基体界面力学性能的新方法纤维微滴拉伸测试,来研究M55JB碳纤维/环氧树脂基体之间的界面应力传递性能。使用自制的微加载装置对碳纤维/环氧树脂微滴试样进行对称式拉伸测试,用微拉曼光谱仪记录下不同应变下的嵌入微滴内纤维上的拉曼频移信号,经过应力/频移关系转换成纤维轴向应力。实验结果显示,微滴内纤维轴向应力随载荷而明显增加。根据界面力平衡模型得到相应的界面剪切应力呈反对称式分布,在纤维嵌入端存在剪应力集中。新测试方法能保证嵌入微滴内纤维上的应力呈对称式分布,而且能降低纤维嵌入端附近的应力奇异性。     

粗骨料粒径对混凝土动态压缩行为的影响研究

粗骨料作为混凝土材料组成最主要的部分,对混凝土力学性能和破坏模式有着很重要的影响。为了研究粗骨料平均粒径对混凝土动态力学性能的影响规律,针对不同平均粗骨料平均粒径（6、12、24 mm）的混凝土和砂浆材料进行了一系列SHPB试验,得到了不同应变率下各试件的应力-应变曲线,并对每种材料的动态增长因子（dynamic increase factor,DIF）与应变率的对数进行了线性拟合。结果表明:砂浆和混凝土材料的抗压强度具有明显的应变率效应,其动态抗压强度随着应变率的增加而逐渐增大,应力-应变曲线呈现相似的变化趋势;在相同的动态应变率条件下,平均粗骨料粒径为12 mm的混凝土的动态抗压强度最大,这与准静态条件下砂浆抗压强度最大截然不同;不同粗骨料粒径混凝土材料的应变率强化系数均大于砂浆材料,且随着粗骨料无量纲尺寸的增大,混凝土材料的应变率强化因子呈现先增大后减小的趋势。     

Torsion measurement using fiber Bragg grating sensors

In this paper, the authors study the potential of using fiber Bragg grating (FBG) strain sensors to measure the torsion deformation theoretically and experimentally. FBG sensors are bonded on the surface of a shaft. When the shaft is under torsion, there is strain induced in the FBG sensor and the Bragg wavelength will shift accordingly. According to the wavelength shift and photoelastic properties of the FBG sensor bonded to the shaft, the torsion deformation of the shaft can be obtained. To minimize the measurement error, the optimal direction of the FBG sensor is obtained. The influences of the orientation deviation of the FBG sensor are discussed. The feasibility of this method is demonstrated by experiment, and the test results agree well with the theoretical analysis.     

导电混凝土传感器的热变形与机敏性研究

论文设计了具有不同灵敏度的水泥基传感器.测试了传感器的热变形特征与机敏性规律.验证了传感器埋入混凝土进行结构变形检测的可行性.热膨胀系数测定实验发现:与传统认为的受热膨胀不同,添加了碳纳米管的传感器具有热胀-热缩特性.通过对比传感器单独加载与埋入混凝土中加载,发现了大掺量的碳纳米管传感器的压阻效应更易受到混凝土干缩应力...     

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。