冲击载荷下钢筋混凝土力学行为的研究北大核心CSCD

基于钢筋混凝土梁受落锤冲击实验结果,提出了损伤型动态本构模型。该模型以混凝土黏弹性本构特性为基础,为了考虑钢筋的作用以及梁的损伤特性,将钢筋增强因子和损伤变量引入理论模型中,最终得出了以应变、应变率、损伤变量和配筋率为控制变量的钢筋混凝土本构模型。将该动态模型运用于非弹性弯曲梁理论分析中,通过数值求解得出了梁跨中挠度时程曲线,与实验结果相吻合。     

钽在冲击载荷下的动态力学特性

 在对称碰撞实验中,用VISAR测试系统记录了自由面粒子速度剖面。结合材料常压弹性纵波声速的测量,利用冲击加载的双波结构,测量了钽在30 GPa以内的冲击波速度,给出了线性相关性非常好的D-u_p 关系,并与高压下的测量结果作了比较。同时对由自由面粒子速度剖面来计算层裂强度的模型进行了讨论,发现模型差异对钽的层裂强度的影响超过30%。     

轴向冲击载荷作用下梯度圆管的动力学行为

通过建立应力波在圆管中传播的单波模型,引入圆管屈曲过程中壁厚变化修正参数,分析了壁厚沿轴向变化的梯度圆管在受到冲击载荷作用时的轴向屈曲动力响应,并与均匀壁厚圆管进行对比。修正后的单波模型理论结果与数值模拟结果吻合较好。在轴向冲击载荷作用下,与均匀壁厚圆管相比,梯度薄壁圆管具有更好的缓冲作用。     

冲击载荷下仿贝壳珍珠层Voronoi结构的动态力学响应

贝壳珍珠层复合结构是一种有效的抗压结构系统,微观上具有Voronoi随机结构,具有良好的力学特性。为了研究仿贝壳珍珠层Voronoi结构在冲击载荷下的动态力学响应,建立了一种铝/乙烯基复合材料的三维Voronoi模型。首先,应用随机Voronoi技术建立仿贝壳珍珠层Voronoi随机模型,然后在随机多边形铝片之间引入黏结层,模拟黏结和分层过程,从最大变形、损伤分布和耗散能量等方面探讨Voronoi片板模型在弹丸冲击荷载作用下的力学性能,并与规则片板模型进行对比分析。结果显示:Voronoi结构更有利于冲击能量的扩散与吸收,减小应力集中,更好地发挥能量共享机制;而规则模型的冲击损伤主要集中在弹丸冲击点附近区域。最后讨论了黏结层厚度和分块尺寸对Voronoi模型力学性能的影响,结果表明:分块尺寸对Voronoi模型抗冲击性能的影响很小;黏结层对损伤耗散能和塑性能的影响很明显,黏结层越薄,模型的抗冲击性能越好。     

钢筋混凝土靶板在弹丸冲击及爆炸载荷下响应的数值模拟

 采用HJC混凝土损伤本构模型及LS-DYNA的流固耦合算法,分别对钢筋混凝土靶板在弹丸冲击和爆炸载荷作用下的响应进行了有限元数值模拟,其中模拟参数由实验数据拟合重新获取。将模拟结果与实验结果和经验公式进行对比分析,结果表明：数值模拟再现了弹体贯穿靶板过程中的开坑、隧道及漏斗碎裂区,计算得到的弹体弹道极限及残余速度与实验数据吻合较好;此外,数值模拟也很好地再现了炸药爆炸后冲击波的传播过程以及爆炸载荷作用下混凝土的破坏情况,模拟结果与实验现象具有良好的一致性。     

冲击载荷下红宝石荧光频移研究

 利用光学多道分析仪和一级轻气炮,采用纳秒级精确同步触发技术,研究了冲击高压下红宝石的荧光光谱,观测到了动高压下红宝石R线的红移,并由此拟合出了红宝石的冲击压力-红移关系曲线。     

冲击载荷下混凝土本构模型构建研究

 在对混凝土动态力学性能和现有本构模型综合分析的基础上,构建了一个新的适用于冲击响应问题数值分析的混凝土本构模型。该本构模型全面考虑了压力、应力第三不变量、变形的硬化和软化、应变率强化以及拉伸损伤等各个影响因素。将其加入LTZ-2D程序,确定了本构模型参数,对混凝土靶板的穿透问题进行了数值验证分析。计算得到的弹体剩余速度同实验结果基本一致,同时得到了混凝土靶板破裂的计算图像。计算结果及其分析表明,所构建的本构模型能够较好地反映冲击载荷作用下混凝土动态响应的主要特性。     

冲击载荷下非晶态碳材料的动态响应模型研究

 在一维应变冲击加载条件下，采用两个石英压力传感器进行了双值应力历史测量，对非晶态碳材料的动态响应特性进行了分析研究。研究结果表明，非晶态碳材料的冲击响应是简单稳定的，在试验冲击应力范围内为非线性弹性响应，Hugoniot曲线呈上凸的，表明材料内部传播的不是一个冲击波而是一簇压缩波，因此可采用特征线方法来解该冲击波问题，并用Riemann积分法对冲击应力过程进行修正，得到材料更精确的Hugoniot方程。还采用COPS程序对该材料的冲击响应过程进行了数值模拟，数值模拟曲线与试验曲线是很吻合的。表明采用Riemann积分法处理是合理的，此方法可以在VISAR测量中得到应用。     

冲击载荷下分支交错层状仿生复合材料动态断裂行为的实验研究和数值模拟

通过三点弯动态冲击实验和数值模拟方法,研究了分支交错层状仿生复合材料的动态断裂韧性。首先设计并制备了分支交错层状仿贝壳复合材料试样,即将一种脆性刚性材料和一种橡胶类材料分别作为复合材料的硬质层和软胶层;随后采用改进的分离式Hopkinson压杆装置进行了三点弯冲击实验;接着讨论了初始冲击速度、硬质材料长宽比、软质材料层厚度对复合材料试样动态断裂行为的影响;最后采用ABAQUS有限元数值模拟,研究了不同宽度和不同冲击方向对复合材料试样动态断裂韧性和裂纹扩展的影响。结果表明:随着冲击速度和硬质材料长宽比增加、软胶层厚度减小,裂纹越倾向于沿直线扩展,反之,裂纹越倾向于绕过硬质材料沿着软胶层呈折线扩展;试样的峰值动载荷和起裂时间也随之增大。有限元模拟结果表明:随着结构总宽度的增大,试样断裂韧性增加,裂纹倾向于绕过硬质材料沿着软胶层扩展;采用实验设计的冲击方向时,试样的断裂韧性高于其他方向。     

冲击载荷下土的动态力学性能研究

 利用分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB）技术,研究了土体在不同应变率条件下的冲击动态力学性能,发现土体有明显的应变率效应,与静载相比,冲击载荷下土的动强度和动模量均有很大的提高。根据实验曲线的特征,以一根线性弹簧和两个不同松弛时间的Maxwell体并联的粘弹性模型来表达土体的损伤型粘弹性本构模型,两个Maxwell体分别表示土体的低应变率响应和高应变率响应,模型的数值拟合曲线与实测动态本构曲线具有较好的一致性。拟合参数表明,土体对低应变率的响应与混凝土相同,对高应变率的敏感性远远高于混凝土。     

冲击载荷下K9玻璃的光学特性

K9玻璃常作为冲击载荷下失效波(破坏波)萌生机制和脆性材料动态断裂特性的研究对象,而当作为冲击窗口材料时,由于冲击压力范围限制,其光学特性研究常被忽略。通过平板撞击实验,结合激光多普勒测速系统(DPS:Doppler Pin System,激光波长为1 550nm),获得了冲击波传播过程中不同光学测试界面运动的速度历史。通过分析原始干涉信号和界面速度剖面的时间对应关系,获得了K9玻璃保持冲击透明性及弹性响应的压力范围。研究结果表明,当冲击压力低于8GPa时,K9玻璃能保持良好的光学透明性,其动态折射率随密度的变化呈典型线性关系。     

强冲击载荷下含杂质的纯铝中微孔洞长大的动力学行为

采用LS-DYNA瞬态动力学有限元程序,对平板撞击加载下含初始杂质的纯铝样品中微孔洞的成核与长大进行了数值模拟。结果表明:微孔洞首先在杂质与基体的边界处成核,随后在局部严重塑性变形驱动下快速线性增长;微孔洞半径的增长速率与冲击加载强度两者之间近似成线性关系;材料屈服强度和初始杂质的大小对微孔洞相对的增长速率有明显的影响;当微孔洞长大阈值取屈服强度的3.5倍时,数值仿真结果与理论分析结果基本一致,这有助于进一步认识孔洞长大的动力学行为。     

轴向冲击载荷作用下双壁碳纳米管的动力屈曲

应用改进的有限元方法,建立考虑层间范德华力作用的壳-弹簧非线性有限元模型,基于B-R运动准则,系统地研究了双壁碳纳米管的动力屈曲问题,得到了轴向冲击载荷作用下双壁碳纳米管的临界动力屈曲载荷和临界动力失效载荷. 研究结果表明,在动力屈曲过程中,双壁碳纳米管层间距的变化非常小,各管的变形相互协调;碳纳米管中应力波的传播导致碳纳米管出现非对称屈曲模态,可明显观测到四个环向波瓣,沿着碳纳米管的轴线方向,四个波瓣的波峰和波谷交替变化. 对碳纳米管动力屈曲问题的研究表明,冲击载荷的大小和持续时间对碳纳米管的动力屈曲有 关键词： 碳纳米管 动力屈曲 冲击载荷     

聚能装药载荷下混凝土破坏行为的实验研究

聚能装药侵彻混凝土靶板的研究主要集中在聚能装药的材料、结构、侵彻深度和侵彻孔径大小方面,少有涉及整个混凝土靶板的破坏行为,但混凝土靶的整体破坏行为对整个聚能装药的侵彻毁伤效能评估有至关重要的作用。为更好地判定聚能装药对混凝土靶体的破坏程度,开展了大口径聚能装药侵彻大尺寸混凝土靶的实验研究。对实验后的混凝土靶板进行剖切,从混凝土靶的内部剖切面观测不同位置处混凝土靶的损伤程度,并对各个位置处的孔洞直径进行测量,获取孔洞的完整尺寸。在过孔洞中心的同一截面上切割边长为10cm的标准混凝土试件,并对其进行抗压强度测试,根据测试结果评估混凝土靶板的整体破坏行为,进而得到混凝土靶在聚能装药载荷下的破坏行为。测试结果表明,混凝土靶板的背板拉伸破坏半径约为110cm;以孔洞中心为轴,半径小于100cm内的混凝土损伤较严重,边界块体强度约为原始强度的40%;半径在100~140cm范围内混凝土的损伤不大,混凝土试件的强度约为原始强度的72%;当半径大于140cm后,聚能装药对混凝土的影响较弱,混凝土几乎未出现损伤。     

冲击载荷作用下PZT-5压电陶瓷的力电特性

压电陶瓷是压电冲击传感器的核心元件。采用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术研究PZT-5压电陶瓷在冲击载荷作用下的力电特性,进行了4～14 m/s不同速度的实验。实验中为保证试件与压杆绝缘,采用了对试件影响较小的表面溅射Al2N3的工艺,溅射厚度为1～3μm。实验结果表明:在冲击加载过程中,PZT-5压电陶瓷的应变变化表现出黏性性质,其产生的电荷与加载过程中试件的应力、应变均相关;当加载速度超过一定值时,加载过程中压电陶瓷可能产生损伤,不同的损伤程度也影响电荷的产生;PZT-5压电陶瓷的力学和电学性能具有明显的率相关性。     

冲击载荷下仿贝壳砖泥结构的动态响应

贝壳作为典型的抗冲击生物材料,具有轻质、高强、高韧等优异性能。通过构建仿贝壳砖泥结构有限元模型,并对其在落锤冲击载荷下的动态响应进行数值模拟,分析了堆叠层数、冲击速度及锤头类型对仿贝壳砖泥结构能量吸收性能的影响。结果表明:5类堆叠层数下的仿贝壳砖泥结构的比吸能呈先增加后减小的变化趋势,并且在所设计的5类堆叠层数结构中,3层仿贝壳砖泥结构具有最大的比吸能,其值较比吸能最小的单层结构提高了10.8%;随着冲击速度的提升,结构载荷峰值及能量吸收均略有增大;相同锤径下,圆柱形锤头较半球形锤头更易穿透模型。     

落锤冲击下钢筋混凝土梁响应及破坏的数值模拟

钢筋混凝土在动态冲击下表现出与静态加载不同的结构响应,且破坏模式更为复杂。在钢筋三折线本构模型中引入应变率效应,利用ABAQUS显式动力分析模块,对钢筋混凝土梁在不同高度冲击下的结构响应进行了数值模拟。得到的冲击力和跨中挠度时程曲线与实验结果吻合较好,验证了模型的有效性。基于该模型,研究了配筋率分别为2.56%、2.66%和2.76%时,钢筋混凝土梁在不同冲击速度下的结构响应。结果表明:增大配筋率能够提高梁的承载能力;随冲击速度的增大,配筋率对梁抗变形能力的增强效果逐渐减弱;当冲击速度为4.85m/s时,配筋率对梁破坏模式的影响微弱;当冲击速度大于4.85m/s时,随配筋率的减小,破坏模式由剪切破坏转变为弯曲破坏。     

冲击载荷下Ni52Ti48合金的微观响应特性

为了了解近等原子比NiTi合金在高压高应变率下的动态变形行为和微结构演化特性及机制,采用实验和分子动力学模拟方法,开展了NiTi冲击压缩和冲击加-卸载拉伸研究。在实验方面,基于大电流脉冲功率CQ-4装置,利用电磁驱动高速飞片,结合动量陷阱和软回收实验技术,开展了冲击压缩与冲击加-卸载拉伸作用下Ni_(52)Ti_(48)合金的动态变形特性研究,借助X射线衍射和电子背散射衍射显微技术,对回收Ni_(52)Ti_(48)合金样品进行微结构特征观察和分析。结果表明,Ni_(52)Ti_(48)在冲击压缩和拉伸下都没有发生马氏体相变,主要变形方式为位错滑移等塑性变形。在分子动力学数值模拟方面,计算结果很好地反映了实验观察到的微结构特征,计算得到的不同初始环境温度和不同冲击速度下Ni_(52)Ti_(48)合金的层裂强度表现出明显的卸载拉伸应变率效应。相关工作加深了对Ni_(52)Ti_(48)合金在高压高应变率下变形行为的理解和认识,为其在极端环境下的安全服役提供了参考。     

镁铝合金的冲击熔化行为实验研究

采用反向碰撞实验技术,结合具有高时空分辨率的全光纤激光干涉测速技术,对镁铝合金开展了极端动态压缩条件下的动力学行为实验研究,获得了镁铝合金在30～73 GPa压力范围内的Hugoniot和声速实验数据。深入的数据分析表明,所获得的Hugoniot数据与早期的Hugoniot数据一致,但是纵波声速却呈现出明显的向体波声速转变的趋势,对应冲击加载下镁铝合金的固-液熔化相变,相变压力区间为40～57 GPa。     

金属在冲击载荷作用下的熔化温度和压力的近似计算

目前,一般都是根据固体的某个熔化方程和Ｐ－Ｔ（Ｐ为压力,Ｔ为温度）形式的冲击绝热线,来确定晶体在冲击熔化点的压力和温度．这种方法的缺点是计算烦杂．本文提出了一个假设的熔化条件,然后借助Ｇｒｕｎｅｉｓｅｎ状态方程等关系式,导出了金属冲击熔化开始时的温度、压力等参数计算公式．尽管在公式的推导过程中作了必要的简化,但仍然获得了较满意的结果．一、晶体的熔化由图１可以看出,当晶体的比容Ｖ＞Ｖｍ时（Ｖｍ?...