PMMA反射拉伸动态破坏的数值模拟

利用PMMA等透明材料弹丸撞击靶板可以直观再现和观测金属弹体撞击靶板的某些响应和破坏特性,研究PMMA在冲击载荷作用下的动态性能可为更好的分析和认识PMMA结构的动态响应提供支撑.基于文献中的实验构型,本文运用LS-DYNA开展了柱锥形PMMA试件在压缩入射波加载下动态响应的数值模拟,研究由于应力波在试件锥段的汇聚效应,以及在自由端的反射拉伸效应.分析了柱锥形PMMA试件的动态响应过程以及拉伸破坏特性,数值模拟获得了与实验相一致的试件破坏现象.     

用动态焦散线方法研究圆环在冲击载荷作用下的破坏机理

本文用动态焦散线实验方法并结合理论分析,深入地研究了圆环在冲击载荷作用下的破坏问题。考察了试件的几何尺寸和支承材料对破坏模态及破坏过程的影响。用应力波传播的几何理论(rays-theory)分析了应力波在圆环内部的传播过程,着重分析了圆环中应力波聚焦的现象。理论分析和实验结果在破坏时刻和破坏位置上吻合的很好。     

钢质蜂窝夹芯梁的高温疲劳模型

针对钎焊钢质蜂窝夹芯梁开展高温三点弯曲疲劳实验研究. 结果表明芯子排列方向显著影响结构疲劳性能, 高温下W向试件易于承受循环载荷. 提出基于疲劳模量退化的寿命预测经验函数方法, 其参数与材料性质、载荷环境等因素有关. 该方法可以预测结构疲劳寿命而避免大量重复性实验. 结果表明: 对于L向试件, 剩余模量退化规律可用二阶多项式拟合; 而W向试件则倾向于用指数型函数描述. 从刚度退化方程中得到非线性累积损伤模型, 并与线性Miner准则和试验结果进行了比较, 合理解释了蜂窝夹芯梁的高温损伤问题.      

碳/碳复合材料T型悬臂梁弯曲失效分析

首次对碳/碳复合材料T型结构件进行了悬臂梁弯曲试验。通过化学气相沉积工艺制备了宽度为40mm的T40试件和宽度为50mm的T50试件,分别对两种试件的损伤失效模式和弯曲应力进行了研究;根据结构破坏区域的应变随载荷增加的变化规律,得到了结构在弯曲过程中的损伤失效进程。结果发现,在悬臂梁弯曲载荷作用下,结构处于正应力和剪应力耦合状态,耦合应力会使宽厚比较小的结构件容易在腹板根部出现局部失稳现象。应用横力弯曲理论对结构破坏截面上腹板边缘的正应力和面内剪切应力进行了简单计算。结果表明:屈曲失效的T50试件比剪切型破坏的T40试件的最大弯曲正应力小22.93%,说明屈曲失效会使结构的弯曲强度大幅下降;而T50试件的最大剪切应力比T40试件的高31.46%,说明屈曲失效主要由材料的剪切性能控制。最后通过有限元方法对T50试件在发生剪切型破坏时的最大弯曲正应力进行了计算,计算结果与试验中发生压缩剪切破坏的T40试件相比仅相差3%,可以较好地表征T50试件的弯曲强度。     

石墨烯与柔性基底界面载荷传递的拉曼光谱实验

本文研究了CVD制备的大尺寸石墨烯与柔性PET基底在拉伸变形过程中切向界面载荷传递的问题,采用原位拉曼光谱实验给出了加载过程中石墨烯的正应变、正应力以及界面切应力的分布曲线。分析表明,石墨烯与PET基底间的载荷传递存在四个阶段,分别是初始阶段、粘附阶段、滑移阶段和界面脱粘破坏阶段。在此基础上,本文对50μm、140μm、270μm和600μm四种尺寸石墨烯试件的界面力学性能进行测量,得到了不同尺寸石墨烯试件的界面力学性能参数,并初步给出了基底变形引起的石墨烯切向界面粘接能的变化,同时分析了试件尺寸对石墨烯界面力学性能的影响。实验结果表明,石墨烯材料和柔性基底最大切应力与临界脱粘切向界面粘接能等界面强度指标受到尺寸的显著影响,尺寸越小切向界面强度越高,反之,尺寸越大则越低。     

三维四向编织复合材料的拉伸尺寸效应研究

通过对三维四向碳/环氧编织复合材料的拉伸实验,观测了不同几何尺寸的试件的破坏模式和断口形貌,得到了材料在拉伸载荷下不同的破坏机理以及材料的力学性能与试件几何尺寸的相关性,研究表明材料随着内部单胞数量的增加材料的弹性模量递减,而剪切模量和泊松比递增的变化规律,通过体积平均法从理论上预报了材料的弹性性能,预报结果与实验结果相符,实验和理论所获结论为进一步进行材料的刚度和强度预报以及强度准则的建立奠定了必要的实验和理论基础.     

T300/648迭层板接头挤压疲劳损伤参数的选择与测定

本文对碳纤维增强复合材料迭层板(C.F.R.P)接头在不同环境条件下的挤压疲劳损伤扩展进行了实验研究.并根据“剩余强度,剩余刚度”理论和“疲劳模量”概念,讨论了接头的刚度下降和强度变化.由此提出了“损伤参数”D的定义和测量方法;并对损伤试件,进行了X射线检测分析,验证了累积损伤的扩展.     

含表面半椭圆裂纹板裂纹尖端应力强度因子的三维光弹分析

本文用三维光弹法得到了含表面半椭圆裂纹板拉伸载荷下应力强度因子 K_Ⅰ沿整个裂纹前缘的分布及由不同裂纹深度引起的有限厚度效应,得到的实验结果与理论结果进行了比较和分析,并对角点上的奇异性进行了定性分析.     

微薄梁三点弯曲的尺度效应研究

应用高灵敏度的力传感器以及时间序列电子散斑干涉法,同时测出了不同厚度纯镍薄片三点 弯曲试件的抗力与变形,得到薄梁中心点处的载荷与挠度曲线. 应用Fleck和Hutchinson 的偶应力理论,结合平面应变弯曲模型,建立了薄梁处于弹性状态和弹塑性状态的 控制方程, 应用Runge-Kutta法进行数值求解,并将计算得到的载荷-挠度曲线以及无量纲化弯矩-表面 应变曲线和实验结果进行了比较. 在理论计算过程中,没有拟合任何材料参数,所有的材料 参数均来自实验测量的结果,材料特征尺度也是根据Stolken和Evans的工作给出 的. 结果表明: 应用偶应力理论预测的结果和实验结果符合良好,而经典理论的预测结果与 实验不相符合.     

裂纹扩展稳定性的实验研究

对五种金属材料进行了裂纹扩展稳定性的实验研究,试件分别采用三点弯曲试件(3PB 试件)和紧凑拉伸试件(CT 试件).试验结果分别由载荷 P——位移Δ曲线斜率的变化,(dp)/(dΔ)——Δ曲线,和撕裂模量曲线验证“撕裂失稳准则”.实验表明该准则是非保守的,同时还表明材料撕裂模量曲线 T_(MAT)-Δ(?)有相当离散度.     

金属拉扭强度关于材料声速及加载速率最小二乘法的回归模型

为了研究不同加载速率下金属的拉扭强度及其预测方法,利用声发射检测仪及电子拉扭试验机分别对铸铁和中碳钢标准试件进行了声速测定及不同加载速率、加载路径下的拉伸-扭转组合变形试验,得到了各试件材料的声速值及相应加载方案下的载荷-变形曲线;根据平面应力状态及强度理论,推导出了材料拉扭破坏的最大正应力、最大剪应力;利用试验中采集的最大轴力、最大扭矩计算得到了材料的拉扭破坏应力、破坏面方向;基于最小二乘法拟合得到了材料拉扭强度关于材料声速值、拉伸与扭转加载速率的多元回归模型。研究表明:随着拉伸与扭转加载速率的增加,铸铁、碳钢的破坏应力分别呈现总体上升、总体下降的趋势;相同加载速率、不同加载路径下材料的破坏强度各不相同;建立的回归模型能较好地预测给定材料在不同加载速率下的破坏应力,并以此建立塑性及脆性材料的拉扭强度条件。     

混凝土断裂过程及尺寸效应分析

为研究混凝土裂纹断裂过程和最大承载力计算方法,通过实验机对四种不同尺寸混凝土紧凑拉伸断裂试件进行了加载过程实验,并对其中一个试件进行应变片跟踪测试.由实验结果分析得到了一系列关系曲线,如试件的载荷-加载点位移关系曲线,断裂损伤区变形随载荷变化曲线;并且计算了不同尺寸断裂试件的应力强度因子.结合计算粘聚裂纹应力强度因子的公式与断裂准则,完成了对承载力理论值的计算,并将其与实验峰值平均值进行对比,其结果是两者相比误差较小,表明此种计算裂纹结构最大承载力方法是可行的.     

脆性材料的均强度破坏准则

在大量工程陶瓷和玻璃力学性能研究的基础上,针对脆性材料的强度特点,提出一个新的强度准则——均强度准则.指出了脆性材料存在一个固有特征——破坏发生区,并导出了相应的解析表达式.应用该理论解释了弯曲强度的尺寸效应,给出了不同尺寸试件弯曲强度的关系式.并通过一系列实验以及格里菲斯的经典实验验证了均强度准则的正确性和可行性.为工程陶瓷等脆性材料的力学性能评价提供了一个有效的破坏准则.     

复合材料的Ⅲ型动态断裂力学分析

本文综合利用 Laplace 变换和 Fourier 变换,从理论上分析了含有贯穿裂纹的层合复合材料在动载荷作用下裂纹尖端的Ⅲ型动态应力强度因子.并以冲击载荷为算例,考查了外层的厚度、拉、剪模量的变化对裂纹尖端应力强度因子的影响,为改善复合材料的断裂动力学性能提供了参考依据.     

薄膜涂层材料界面纯剪破坏标准试验法的开发

界面强度是薄膜涂层材料的最重要的性能指标之一，目前尚缺乏有效的测量方法。测量界面强度的主要困难在于寻求一种便于试验的试件形状和加载方式，使得界面上能够产生不同的应力状态，即在不同的剥离应力和剪应力比的状态下发生破坏。本文采用有限元数值分析（ABAQUS），研究了几种具有简单几何形状的试件的界面应力，并基于大量的数值试验，设计了剪应力为破坏支配因素的试件形状和加载方式，并且给出了便于应用的最大界面剪应力的经验估算公式。该经验公式可以适用于各种材料组合和薄膜涂层的厚度。研究结果表明，通过对薄膜涂层材料试件的基体引入缺口以产生应力集中，进行普通的四点弯曲试验，可以进行剪应力占支配地位的界面破坏试验。利用本文提出的试件形状和相应的最大界面剪应力经验公式，可以通过破坏试验简单地得到界面的剪切强度。     

变形模式对多孔金属材料SHPB实验结果的影响

利用两种改进后的Hopkinson杆实验分别测得多孔金属材料冲击端和支撑端的应力.实验结果及高速摄影表明,随着撞击速度的增加,试件两端的应力均匀性变差,分别对应着泡沫材料的3种变形模式:准静态模式、过渡模式、冲击模式.实验得出在冲击模式下,冲击端与支撑端的应力与试件的厚度无关,但是与试件的密度有关.在多孔金属的高应变率实验中,变形模式对SHPB实验有很大的影响,轴向惯性(波动)效应会导致试件两端的应力不均匀,此时利用SHPB得出的实验结果将会是应变率效应和惯性效应的耦合,不能真实反映材料的动态力学性能(应变率效应).      

冲击载荷下两裂纹间的连通规律

脆性材料内部含有大量裂纹,当某一裂纹扩展时,其他裂纹会对扩展裂纹产生影响。为了研究冲击载荷下,脆性材料内两裂纹的相互影响、连通规律及裂纹尖端应力强度因子的变化规律,利用有机玻璃板制作了含非平行双裂纹的实验试件,利用落板冲击设备进行了中低速冲击实验,结合有限元分析软件ABAQUS计算出裂纹尖端应力强度因子,利用有限差分软件AUTODYN进行了动态数值模拟研究,并将其模拟结果与实验结果进行对比分析。实验及模拟结果表明:裂纹破坏形态与AUTODYN数值模拟破坏形态基本一致;试件的断裂形态随着两裂纹间距不同而不同;裂纹间的相互影响程度随着裂纹间间距增大而减小;裂纹尖端应力强度因子K_I随着裂纹间距的增大而减小,而K_II随着裂纹间距增大而增大。     

Ⅰ—Ⅱ复合型有限宽平板剩余强度分析的工程方法

本文依据线弹性力学原理,用复变函数法求得在拉伸载荷下有限宽平板斜裂纹问题的K_Ⅰ和K_Ⅱ,并采用最大剪应变判据((d~2ε_θ)/(dθ~2)<0及(ε_θ)max与K_R相应),求得裂纹扩展角及当量Ⅰ型应力强度因子K_((?)q),再用能量准则求得失稳时的临界应力及裂纹容限.用此方法对几种初始角的几何斜裂纹有限宽平板的剩余强度作了计算,计算结果与有关文献中的数据和试验值相比,开裂角、临界应力及裂纹容限的误差均满足工程要求(2～7％).为进行二维薄壁结构的损伤容限设计,本文提供了剩余强度分析的工程方法及计算程序.     

横向撞击下短梁的剪切破坏研究

应用实验和数值模拟手段研究了 2 0 # 钢梁在横向撞击下的双剪破坏问题。实验中通过测量加速度 ,分析了梁破坏需要吸收的能量 ;数值分析中采用Cauchy应力对数应变Cowper Symonds过应力本构方程模拟材料率相关行为 ,累积塑性应变破坏准则与单元死活技术结合模拟材料弱化行为 ,数值分析给出的结构破坏吸收能量与实验结果基本吻合 ,由计算得到的剪切塑性铰长度与S .B .Menkes等的实验结果基本一致。     

CTS试件中复合型疲劳裂纹扩展

针对复合型循环载荷作用下的金属构件中的裂纹扩展问题进行了实验分析和理论建模. 首先 采用紧凑拉剪试件(CTS)和 Richard研制的复合型载荷加载装置，对承受复合型循环载荷的裂纹进行了实验研究. 实验选择了两种金属材料试件，分别承受3种形式的复合型循环载荷的作用，在裂纹尖端具 有相同的初始应力场强度的条件下考察复合型循环载荷对裂纹扩展规律的影响. 实验结果表明，疲劳裂纹的扩展速率与加载角度有关. 对于同样金属材料的试件，当裂尖处 初始应力场强度相等时，载荷越接近于II型，裂纹增长速率越快. 采用等效应力强度 因子(I型和II型应力强度因子的组合)、裂纹扩展速率及复合强度等参数，以实验数据为 基础，建立了一个疲劳裂纹扩展模型，用来预测裂纹在不同模式疲劳载荷作用下的扩展速率. 为验证其有效性，该模型被应用于钢制试件的数值模拟计算中. 实验结果与模拟计算曲线保 持一致，表明该模型可以用来估算带裂纹金属构件的寿命.