花岗岩在SHPB冲击破坏实验中最低加载应变率的杆径效应

基于Steverding-Lehnigk脆性断裂准则,分析了半正弦应力波加载条件下SHPB杆径尺寸与导致花岗岩试样单次冲击破坏对应的最低应变率之间的关系。采用杆径分别为22、36、50和75 mm的SHPB实验系统对相应尺寸规格的花岗岩试样进行了应变率从高到低的冲击实验,讨论了花岗岩试样在单次冲击破坏情形下对应的最低应变率与实验杆径的相关性。理论和实验结果表明：岩石试样的最低加载应变率随着SHPB杆径的增大而以乘方关系减小,但当应变率低到10⁰ s^-1量级时,Hopkinson杆径已超过100 mm,增大Hopkinson杆径降低加载应变率的效果不再明显。     

SHPB系统试件恒应变率加载实验方法研究

为了获得材料准确的动态力学性能参数,提出了两种对试件实现恒应变率加载的实验方法:双试件SHPB方法和将圆柱形子弹改变成柱锥形子弹的SHPB方法。对三种金属材料进行了实验,并用数值模拟的手段对这两种方法进行了验证和比较。     

液压膨胀环恒应变率加载技术

膨胀环实验技术主要包括爆炸膨胀环实验技术和电磁膨胀环实验技术,实验过程中膨胀环的加载应变率在达到峰值后会随着圆环的膨胀而迅速降低,给研究应变率敏感材料的拉伸碎裂带来极大的不便。在前期提出的液压膨胀环实验技术的基础上,发展了一种恒应变率加载技术。首先,从理论上获得了实现金属圆环恒应变率膨胀所需的液压加载曲线的近似表达式;然后,采用有限元流固耦合数值模拟了液压膨胀环装置中1060-O铝环的膨胀碎裂过程,在给定液压加载曲线下,膨胀环的环向应变率在应变率稳定阶段上下波动范围最大不超过20%;并进一步研究了加载曲线对碎裂过程中应变率的影响规律。在液压膨胀环实验装置上对1060-O 铝环开展了膨胀环实验,验证了恒应变率加载技术的可行性。     

纤维增强复合材料高应变率拉伸实验技术研究

本文对基于分离Hopkinson杆的反射式纤维增强复合材料动态拉伸实验技术进行了研究讨论。对加载杆中可能影响拉伸应力波波形实验分析的所有干扰波进行了较系统地定量分析研究,认为产生于试样端头与加载杆界面处的两主要干扰波对希望得到的应力波的测量和判别具有严重的不利影响,因此拉伸实验设计必须避开该主干扰波的重叠影响。文中对动态拉伸实验装置、实验要求及信号采集等作了分析。根据对试验结果的分析,针对复合材料动态拉伸实验技术的若干问题提出了一些处理方法和建议,诸如干扰波的规避、冲击信号合理测点的选取、加载杆长度匹配、复合材料拉伸试样的设计要求以及加载连接等问题。这些方法和建议包括在加载杆特定段上贴应变片,考虑到实验的准确性一般不用反射波进行数据计算处理,尽量缩短试样标距等。     

应变率历史对应力应变曲线的影响

利用普通SHPB实验系统、双试件SHPB实验系统,对一特种钢材进行了不同应变率历史的动态压缩实验,获得了不同应变率历史所对应的应力应变曲线。通过量化平均应变率相同的情况下不同应变率历史所对应的应力应变曲线的差别,以及量化应变率历史的恒定程度,初步分析了应变率历史对应力应变曲线的影响。研究结果表明:特别是在较高平均应变率下,应变率历史对试件材料的应力应变曲线有明显的影响,在材料动态本构关系研究中应当考虑应变率历史的影响。     

中应变率下钢纤维混凝土受拉全过程实验研究

在简要评述有关中应变速率下钢纤维混凝土动态力学性能的实验研究现状后,详细介绍了在Instron1342材料实验机的基础上经自行改装设计的钢纤维混凝土动态测试系统,并对实验方案、试件制作与加载及量测过程进行了阐述。利用该系统,成功完成了应变率由1.38×10-4s-1～0.532×10-1s-1三个数量级范围内的钢纤维混凝土受拉全过程试验(四点弯拉),得到了中应变率下钢纤维混凝土的应力、应变全过程曲线。同时,对实验结果进行了综合分析,实验结果表明:中应变率下,应变率不同时钢纤维混凝土的应力应变全曲线具有很好的相似性,而峰值应力、峰值应变与弹性模量(割线模量)随应变率的增加均有不同程度的提高。当应变速率从1.38×10-4s-1增大到0.532×10-1s-1时,SFRC的抗拉强度提高30%左右,峰值应力对应的应变提高10%左右,动态拉伸弹性模量提高20%左右。中应变率(1.38×10-4s-1～0.532×10-1s-1)下,当钢纤维掺量从0%增加到4%时,钢纤维混凝土的抗拉强度提高1.3倍左右。     

实现材料高应变率拉伸加载的爆炸膨胀环技术

设计了新型的爆炸膨胀环实验加载装置,加载装置中采用爆炸丝线起爆方式,避免了传统装置中对碰爆轰波加载时的应力不均匀性。利用新型的爆炸膨胀环实验技术研究了无氧铜材料的动态性能,利用激光位移干涉仪测量了试样环的径向速度历史,处理数据获得了无氧铜材料的流动应力-塑性应变-应变率的关系,为进一步利用爆炸膨胀环实验技术研究材料在高应变率拉伸加载时的本构关系奠定了基础。     

高应变率下铁锰铸造合金正向和反向应变率效应的研究

对两种铁锰铸造合金在准静态和冲击动态下进行了宏观与微观相结合的试验研究。实验结果表明 ,在准静态下 ,铁锰铝硅合金的强度高于铁锰铝合金 ,但在高应变率动态加载下 ,铁锰铝合金的强度反而高于铁锰铝硅合金。铁锰铝合金表现出很强的应变率强化效应 (正向应变率效应 ) ,而铁锰铝硅合金表现出应变率无关或应变率弱化效应 (反向应变率效应 )。随着应变率的进一步提高 ,两者又都存在一定程度的应变率弱化倾向。根据这一现象 ,着重对高应变率下的绝热温升所致热软化、内部损伤的率相关演化、以及应力诱变马氏体相变等方面进行了探讨。     

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,对圆柱状试件进行压缩及加卸载试验.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稳加载脉冲,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.     

玻纤增强复合材料高应变率拉伸实验研究

利用爆炸膨胀环实验技术,对玻璃纤维增强复合材料(GFRC)进行了高应变率(104s-1)下力学性能研究。实验中使用铜丝汽化引爆装药的方法对驱动环进行能量加载,并采用激光速度干涉仪(VISAR)测量试样环自由膨胀的质点速度,实现了玻璃纤维增强复合材料在104应变率下的一维拉伸破坏,并获取了该材料的速度时间曲线。经过计算得到了材料的应力应变关系,最后与该材料在准静态下、中高应变率下实验得到的数据进行了比较。     

复合纸蜂窝结构的力学性能与吸能特性研究

本文对不同类型、不同组合的Aramid纸蜂窝结构进行了抗压实验,并与单层蜂窝的抗压实验结果进行对比,总结其力学性能和吸能特性。组合的类型包括不带隔板的2个规格相同的蜂窝组合,以及包含铝隔板的相同规格的2个蜂窝组合。结果表明,复合纸蜂窝结构具有一定的应变率效应,并且其吸能特性远优于单层纸蜂窝,加入铝隔板的纸蜂窝吸能特性会进一步提升。为了验证实验结果,基于数值方法建立了合理的分析模型,计算结果与实验结果吻合较好。研究结果表明,含有铝隔板的组合适用于需要较大坍塌应力的防撞结构中,而无隔板组合适用于需减小初始破坏应力的阻尼吸能结构中。     

纸瓦楞-蜂窝复合夹层结构的静态缓冲性能研究

针对纸瓦楞-蜂窝复合夹层结构的缓冲吸能特性,实验分析了正弦瓦楞夹层结构、六边蜂窝夹层结构以及复合夹层结构的静态压缩特性和变形模式,计算了总吸能、比吸能、单位体积和单位面积吸能,研究了压缩速率、瓦楞夹层楞型、蜂窝夹层厚度对复合夹层结构缓冲性能的影响规律。结果发现,纸瓦楞-蜂窝复合夹层结构是逐层压溃,瓦楞夹层先压溃,其次是蜂窝夹层;压缩速率的变化对这种复合夹层结构的缓冲性能影响不明显;在相同压缩速率条件下,改变瓦楞夹层楞型和蜂窝夹层厚度对这种复合夹层结构的能量吸收影响较大,由惯性矩较大的瓦楞夹层与厚度较高的蜂窝夹层组成的纸瓦楞-蜂窝复合夹层结构的缓冲性能良好。     

矿渣-粉煤灰基地质聚合物混凝土的冲击力学性能

以矿渣和粉煤灰为原料,以氢氧化钠和液体硅酸钠为激发剂制备出养护28 d后静态抗压强度高达56.4 MPa的矿渣-粉煤灰基地质聚合物混凝土（geopolymer concrete, GC）试件,以普通硅酸盐水泥为原料制备出养护28 d静态抗压强度高达61.6 MPa的普通硅酸盐水泥混凝土（ordinary Portland cement concrete, PC）试件,采用100 mm霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）试验装置分别对GC试件和PC试件进行冲击压缩试验,得到了2种材料在0~100 s-1平均应变率范围内的应力应变曲线。通过分析应力应变曲线,并与PC进行了对比,研究了矿渣-粉煤灰基GC的冲击力学性能。结果表明,GC作为一种新型混凝土类材料,在冲击荷载作用下具有较好的强度、变形性能和韧性;GC是一种率敏感材料,冲击荷载作用下抗压强度、变形性能和韧性随应变率的增大而增强;和PC相比,冲击荷载下GC的抗压强度较小,韧性较低,GC在开始破坏前产生的变形与PC的基本相等,完全破坏时产生的变形较小。     

中应变率拉伸载荷下DZ2车轴钢的动态力学响应与微观组织演变

高速列车运行过程中车轴可能遭受不同程度的冲击载荷作用,导致车轴的结构损伤与破坏,从而影响列车运营安全和服役寿命.因此,明晰冲击载荷下车轴材料的力学响应和变形损伤行为,对高速动车组车轴的运维与设计具有重要意义.论文研究了DZ2车轴钢在中应变率(0.1～100 s^-1)拉伸条件下的力学性能和微观结构演变,揭示了DZ2车轴钢的变形与失效机理,构建了可准确描述DZ2车轴钢力学响应行为的Zerilli-Armstrong模型.结果表明,位错滑移和韧性断裂是DZ2车轴钢塑性变形和失效的主要机制,但由于位错运动状态的改变,其强度的应变率依赖性在不同应变率范围内存在较大差异.当应变率低于10 s^-1时,DZ2车轴钢内的位错密度低,位错运动阻碍作用小,其强度不会随应变率增加而显著变化,具有低的应变率敏感性;而在应变率超过10 s^-1后,DZ2车轴钢内的位错密度大幅度增加,位错运动速率加快,位错短程作用增强,从而增大了材料的变形抗力,材料的强度随应变率增加而增大,表现出显著的应变率强化效应,应变率敏感性也明显提高.与实验数据相一致,Zeri...     

双向受压状态下的混凝土率效应试验研究

利用三峡大学自行研制的大型多功能三轴材料试验机,完成了4种侧应力等级和3个数量级加载速率的C30混凝土立方体试件双向受压试验,系统地探讨了不同侧应力和不同加载速率下混凝土的强度特性及变形特性。研究表明,侧应力和应变速率都能提高混凝土的应变峰值,但侧应力对混凝土的应变峰值的影响较应变速率的影响大;随着侧应力的增加,混凝土的率敏感性逐渐降低;在有侧应力的情况下,随应变速率的增加,混凝土弹性模量变化逐渐减小;随应变速率的增加,应力应变曲线上升段更加陡峭,曲线更加饱满,混凝土剩余强度越来越高;双轴受压情况下,混凝土的应力应变曲线下降段趋势比无侧应力状态下较平缓,随侧应力的增加下降段曲线越来越平缓,混凝土的应力应变曲线更加饱满,峰值点无明显尖峰出现,混凝土剩余强度越来越高。     

聚合物在高应变率下的动态力学性质实验研究

介绍了利用一种新型的落重和高速摄影实验系统对三种常见的聚合物（ＰＣ,ＰＥＫ和ＰＥＥＫ）在高压应变率下的力学性质的研究结果。所使用的实验系统在常规落重装置的基础上,增加了高速摄影系统,实现了应力和应变过程的同时测量。从而使得在一次实验中可同时获得应力和应变数据,避免了这类实验中常用的变形过程中体积不变的假设,使得结果更加可靠,并可验证材料的泊松比。给出了上述三种聚合物在常温下的真应力与自然应变的关系。结果表明,在室温下,当应变率约为１０００ｓ－１时,这三种材料的屈服应力分别为１２８ＭＰａ,２０４ＭＰａ,和１８０ＭＰａ。三种材料均具有很好的冲击韧性,断裂应变均在５０％以上。对不同环境温度下,ＰＥＥＫ的实验结果表明,随温度的增加,屈服应力将下降。     

在氢环境中钢的应变速率效应

从静态、准静态直到冲击的应变速率范围内(.ε=10-7~103sec-1),研究了在氢环境中应变速率对10钢力学性能的影响。结果表明:对于10钢,应变速率在3.33×10-3~3.33×10-6sec-1范围,氢的影响最明显,随着应变速率的提高或降低,氢的影响逐渐减弱;对于渗氢和未渗氢试样,应变速率在10-4~103sec-1范围内,屈服应力都随着应变速率的增加而增加,在.ε<6.0×102sec-1区域Ⅰ内流动应力与应变速率呈线性关系,在.ε>6.0×102sec-1区域Ⅱ内流动应力对应变速率十分敏感。与准静态时相比较,高应变速率下未渗氢试样的流动应力增加了1.1倍,而渗氢试样则增加了1.5倍。文中给出了可以精确描述10钢在高应变速率下渗氢与未渗氢试样的应力应变关系表达式。     

材料力学性能检测虚拟实验的设计和开发

针对传统材料实验教学的种种弊端,将虚拟现实技术运用到材料实验教学当中,使教学过程具有交互性好,实验沉浸感强的特点。介绍了基于VRML的材料力学性能检测虚拟实验的设计思想和设计原理,对关键技术进行了阐述和分析。采用Pro/E、3DS MAX建立拉伸机、冲击机,疲劳试验机、压缩机、带表卡尺等实验仪器、工具的三维模型,并将其转换成VRML格式。然后通过VRML的事件路由机制实现了材料力学性能检测实验的全过程,如拉伸实验中,包括试样的测量、加载,拉伸过程的实现和曲线实时生成。作为材料实验教学的辅助工具,使学习过程形象化,充分发挥学生主观能动性,培养创新意识和解决工程问题能力。     

铁合金和青铜多孔材料屈服应力的实验研究

对铁合金和青铜多孔材料做静态实验和Taylor冲击实验,得到静态屈服应力和孔隙率以及动态屈服应力和应变率的变化规律,同时将静动态载荷作用下的多孔材料的本构方程与实验结果进行了对比,发现理论分析和实验研究有良好的一致性,表明本文采用的模型基本能满足实际工程应用。     

混凝土类材料SHPB实验中确定应变率的方法

由于混凝土类材料在SHPB实验中很难实现恒应变率加载,为了确定非恒应变率加载下的实验数据所对应的应变率,本文中针对不同强度(C20,C45,C70)和不同钢纤维含量(0%,0.75%,1.50%,4.50%)的混凝土进行了SHPB实验。对实验得到的30组恒应变率加载下的数据进行了分析总结,结果表明:实验数据所对应的恒应变率与全段平均应变率之间存在一定的比值关系,从而混凝土类材料SHPB实验数据所对应的应变率可以采用全段平均应变率的1.38倍来表征。通过对比非恒应变率加载和恒应变率加载下得到的应力应变曲线,验证了该确定应变率方法的合理性,并指出较短恒应变率加载下实验数据对应的应变率直接采用短平台段对应的应变率来表征是不合理的。