高速冲击载荷下梯度金属泡沫夹芯梁的动态响应与失效

采用泡沫弹冲击加载实验对梯度金属泡沫夹芯梁结构开展了不同冲击强度下的动态响应和失效研究,分析了由三种不同密度泡沫铝组成的等面密度的五种不同梯度的夹芯结构在夹支边界条件下的抗高速冲击性能,结合三点弯曲实验,研究梯度效应对夹芯结构抗冲击性能的影响。研究表明：密度梯度对结构的失效过程和失效模式有着明显的影响,且夹芯梁结构的初始失效模式对结构整体响应和主要的能量吸收机制起着主导作用;当冲击条件不足以使得均质芯材发生压缩时,均质及负梯度夹芯结构初始失效模式为整体弯曲变形,低强度芯层位于前两层的梯度结构随着冲击强度的变化出现不同程度的局部芯层压缩;当冲击强度较低时,梯度结构通过丰富的局部失效表现出明显优于均质结构的抗冲击变形能力;当冲击强度大于临界值时,均质结构具有更好的抗冲击变形能力。通过合理地设计密度梯度实现逐层压缩吸能,能够有效的提升防护结构的抗冲击性能。     

梯度蜂窝夹芯板在爆炸荷载作用下的动力响应

利用弹道冲击摆锤系统对分层梯度蜂窝夹芯板在爆炸荷载下的动力响应进行了实验研究,分析了梯度蜂窝夹芯板在爆炸荷载作用下的变形失效模式,并与传统非梯度蜂窝夹芯板的抗爆性能做了对比。通过一维应力波理论,分析了应力波在梯度芯层中的传播规律。应力波透射系数在梯度试件中比非梯度芯层中小,而且相对密度递减的芯层组合有最小的应力波透射系数。综合考虑结构变形失效模式,后面板挠度,芯层压缩量以及应力波传播特点得到:分层梯度蜂窝夹芯板的抗爆性能明显优于传统的非梯度夹芯板,在所研究的荷载范围内,芯层相对密度从大到小排列试件的抗爆性能相对较好。     

基于多轴应力损伤的薄板花瓣型破口形成机理研究

开展了多种应力状态下的船用钢力学特性实验,基于多轴应力状态损伤的失效准则研究了局部冲击荷载作用下圆形板的花瓣型破口形成过程,划分了花瓣型破口形成的3个阶段,分析了裂纹区域、非裂纹区域应力状态变化过程及损伤情况。得到:(1)考虑多轴应力损伤的舰船用钢失效准则能有效预测受力状态复杂的花瓣状破口;(2)花瓣型破口的形成主要分为蝶形凹陷、中心区域裂纹扩展、花瓣形成与翻转等3个阶段;(3)花瓣型破口的裂纹区和非裂纹区均受力复杂,破口预测须考虑应力状态对损伤特性的影响;(4)花瓣形成过程中,第1阶段和第3阶段均匀变形,第2阶段损伤局部化明显,花瓣卷曲会造成花瓣根部的二次损伤。     

非线性应力波传播理论的发展及应用

应力波传播理论是分析结构和材料在爆炸/冲击载荷作用下的响应及破坏特性的基础,在国防和民用工程上有重大价值。本文对作者们近半个世纪来在非线性应力波传播理论的发展及其工程应用方面所开展的主要研究作一回顾和讨论,包括：几类非线性应力波相互作用及失效,非线性粘弹性波传播理论及应用,动态破坏和应力波相互作用,以及应力波理论在防护工程中的应用等。     

编织Kevlar/Epoxy复合材料层合板在冲击荷载下的动态响应

通过编织Kevlar/Epoxy复合材料层合板的平头弹冲击实验,分析了结构在不同冲量下的变形失效模式以及结构的抗冲击性能。实验表明复合板的变形失效模式主要表现为:(1)弹性变形;(2)复合板表面嵌入失效及整体塑性大变形;(3)背面纤维拉伸断裂及分层失效。基于实验研究,运用LS-DYNA 971有限元程序对铺层数不同的复合板在冲击载荷作用下的动态响应过程进行了数值模拟,模拟结果与实验吻合较好,子弹作用区域边缘处首先发生近似圆形的嵌入失效,而在板背面发生近似正方形的破坏区域;计算中重点分析了铺层数对结构动力响应的影响,在一定冲量范围内,通过对铺层数的优化,能够有效地减小后面板挠度,提高结构的能量吸收效率,增强结构的抗冲击性能。     

应力历史对颗粒材料强度和变形特征影响的离散元模拟

主要关注了颗粒材料前期所受的应力历史对其后期宏观力学响应的影响。该应力历史由一段等比例加载应力路径以及卸载垂直方向应力至与水平方向围压相同的卸载段描述。具体工作为:基于PFC2D双轴压缩数值实验,调查了应力历史对颗粒样本的强度、变形特征、细观参量如组构的影响,得出颗粒样本的偏应力-应变、体积应变曲线及其发生破坏时的名义应变云图。数值结果表明:高低围压下样本分别发生剪切破坏和弥散破坏,高围压下弹性阶段的刚度受应力历史影响较大,而低围压下样本在刚进入塑性至应力峰值点阶段的弹塑性刚度变化较为明显。随着应力历史中等比例加载系数的增大,剪胀加快,变形局部化范围有所不同;另一方面,颗粒形状的不规则性会增强颗粒材料的各向异性,导致样本强度更高。     

功能梯度材料斜裂纹动态扩展的近场动力学模拟

近场动力学是一种考虑非局部力相互作用的连续体理论.采用有限范围内的直接求和积分来代替经典弹性力学的应力/应变关系,这样就避免了传统的局部微分方程在求解不连续问题时的奇异性和现有多尺度算法的复杂性,而且在处理多物理场问题时具有同样的优势.本文采用近场动力学理论,模拟功能梯度材料在受动态拉伸荷载作用下的裂纹扩展问题,给出了功能梯度材料的斜裂纹扩展路径及破坏形态,同时讨论材料梯度形式对裂纹扩展行为的影响.结果发现裂纹总是沿着水平方向扩展,且材料的梯度形式对裂纹的扩展行为影响较小.     

梯度多孔材料单轴压缩弹塑性变形的宏微观数值分析

针对闭孔的密度梯度多孔材料,建立含球形孔洞的三维数值分析模型,研究其单轴压缩力学行为。首先,研究密度梯度对多孔材料宏观力学行为(如弹性模量和屈服强度)的影响;其次,研究密度梯度与材料局部力学性能的关系,得到了沿梯度方向弹性模量和屈服强度的分布规律;最后,讨论梯度多孔材料单轴压缩变形局部化机制。结果表明:当梯度材料与均质材料的总体相对密度相同时,梯度材料的宏观弹性模量和屈服强度均低于均质材料水平,其宏观应力-应变关系曲线降低;梯度多孔材料沿梯度方向的力学性能发生急剧变化,等效弹性模量沿梯度方向呈线性分布,屈服强度呈非线性曲线分布,导致沿梯度方向应力、应变呈现高度的不均匀性;多孔材料的变形局部化产生于孔隙率较大的薄弱位置,再逐渐向孔隙率较小的位置发展。由此可知,孔隙率的梯度变化影响多孔材料的力学性能,通过改变孔隙率的分布可实现材料预期的力学性质。     

复合材料层合板壳非线性力学的研究进展

复合材料层合板壳是由多种组分材料组合而成.与单一材料的板壳结构相比,它无明确的材料主方向,各层间材料间断和不连续,具有明显的几何非线性和材料非线性等新的特点.其失效模式也远比单一材料的情况复杂,具有如基体开裂、脱胶、分层、分层裂纹偏转、多分层以及分层传播等多种模式.各国学者基于不同的考虑,提出了多种方法研究复合材料层合板壳的失效.首先,在简要介绍了层合板壳线性力学基本理论的基础上,重点回顾了层合板壳结构非线性力学几种基本理论发展的过程,主要阐述了经典大挠度非线性理论、一阶剪切变形理论、高阶剪切变形理论、锯齿理论、广义分层理论的理论体系及基本公式,并对几种理论之间的联系和差异进行了总结;其次,介绍了当前层合结构非线性领域的研究进展,综述了典型复合材料板壳结构的失效机理及优化设计、复合材料板壳结构在复杂环境下的破坏机理、复合材料板壳结构的物理非线性、含脱层纤维增强复合材料板壳结构的破坏机理等各研究热点的最新研究成果;最后,对该领域未来的研究方向进行了展望.     

功能梯度材料的平面断裂力学分析

针对材料参数在厚度方向可能按任意连续变化的梯度材料，给出了一个新的分层模型，利用该模型求解了面内加载下梯度界面层和涂层中的界面裂纹问题，借助Fburier积分技术和传递矩阵方法，将该问题化为一个Cauchy型奇异积分方程，通过数值求解，得到感兴趣的应力强度因子，对不同形式的杨氏模量和泊松比，计算了界面裂纹应力强度因子，结果表明泊松比的变化形式对应力强度因子影响不大，可当作常数处理，而杨氏模量的影响则很大。     

冲击载荷下径向密度排布对泡沫金属力学性能影响的研究

参照层状密度梯度泡沫模型实现方法,利用3D-Voronoi技术设计了新型径向密度梯度泡沫模型,并用有限元软件,对它在不同冲击载荷下的力学行为进行数值模拟。研究冲击速度、密度梯度和平均相对密度对金属泡沫冲击端、支撑端应力和能量吸收能力的影响,发现:径向正梯度泡沫与层状正、负梯度泡沫相比,其两端的应力值均较小,可同时保护冲击端、支撑端物体;径向负梯度泡沫两端应力变化幅度较小,能够保证物体受力稳定;几种泡沫金属的能量吸收能力在不同冲击速度下发生交替变化。对于径向梯度泡沫,能量吸收能力对密度梯度大小不敏感,对梯度方向敏感,径向负梯度泡沫的能量吸收能力始终大于径向正梯度泡沫;平均相对密度越大,径向正、负梯度泡沫两端应力越大、吸能效果越好。     

单向增强玻璃钢复合材料静/动态拉伸实验研究

本文针对单向增强玻璃钢复合材料,进行了一系列静/动态拉伸试验,利用高速摄影与DIC相结合的方法,获得了材料不同方向、不同应变率的应力-应变曲线以及材料在不同方向上的动态失效应变,精确地描述了材料的静/动态拉伸及失效行为。实验结果表明,纤维增强方向在不同应变率(10^-3、10、10^2 s^-1)拉伸应力-应变曲线均存在一个刚度减小的刚度变化点N,变化后的Echanged分别为初始弹性模量Einitial的67.5%、39.0%、21.4%。此材料在不同应变率(10^-3、10、10^2 s^-1)拉伸情况下,纤维增强的方向1上强度最高(分别为608、967、1 123 MPa),方向2强度最低(分别为75、67、58 MPa),方向3强度较低(分别为90、151、221 MPa)。利用高速摄影与DIC相结合的方法,获得了100 s^-1应变率下,不同铺层方向破坏时刻的动态失效参数(方向1~3的动态失效应变分别为0.267、0.078、0.099),可以更加精确地描述此单向增强玻璃钢复合材料的动态失效行为。     

EXACT THERMO-ELECTRO-ELASTIC SOLUTION OF FUNCTIONALLY GRADED MULTILAYERED ONE-DIMENSIONAL QUASICRYSTAL CYLINDRICAL SHELLS 1)

两种或多种不同性质材料组成的层状结构可以满足工业发展的需求. 然而, 材料属性在接触面的突变问题, 容易导致层间界面处产生应力集中、裂纹以及分层等问题. 功能梯度材料利用连续变化的组分梯度来代替突变界面, 可以消除界面处的物理性能突变, 提高结构的粘结强度. 本文以一维准晶功能梯度层合圆柱壳为研究对象, 利用类Stroh公式和传递矩阵方法, 建立了材料参数沿径向呈现幂函数变化的层合圆柱壳模型, 获得了简支边界条件对应的一维准晶功能梯度层合圆柱壳的热电弹性精确解. 数值算例中讨论了层合圆柱壳内外表面承受温度载荷时, 功能梯度指数因子对温度场、电场、声子场和相位子场的影响, 尤其是对层合圆柱壳内外表面的影响. 结果表明, 指数因子改变了材料参数的空间分布情况, 进而对温度场、电场、声子场和相位子场都有影响; 增加功能梯度指数因子, 可减小温度载荷引起的内表面变形, 进而提升结构强度. 本文得到的结果可以为功能梯度准晶层合圆柱壳的设计和制造提供可靠的理论依据.     

一维准晶功能梯度层合圆柱壳热电弹性精确解

两种或多种不同性质材料组成的层状结构可以满足工业发展的需求. 然而, 材料属性在接触面的突变问题, 容易导致层间界面处产生应力集中、裂纹以及分层等问题. 功能梯度材料利用连续变化的组分梯度来代替突变界面, 可以消除界面处的物理性能突变, 提高结构的粘结强度. 本文以一维准晶功能梯度层合圆柱壳为研究对象, 利用类Stroh公式和传递矩阵方法, 建立了材料参数沿径向呈现幂函数变化的层合圆柱壳模型, 获得了简支边界条件对应的一维准晶功能梯度层合圆柱壳的热电弹性精确解. 数值算例中讨论了层合圆柱壳内外表面承受温度载荷时, 功能梯度指数因子对温度场、电场、声子场和相位子场的影响, 尤其是对层合圆柱壳内外表面的影响. 结果表明, 指数因子改变了材料参数的空间分布情况, 进而对温度场、电场、声子场和相位子场都有影响; 增加功能梯度指数因子, 可减小温度载荷引起的内表面变形, 进而提升结构强度. 本文得到的结果可以为功能梯度准晶层合圆柱壳的设计和制造提供可靠的理论依据.      

Study of cylindrical stress waves generated by exploding wires

An experimental technique utilizing high-pressure gas from an exploding wire is used to load long, hollow, thick-walled cylinders from the inside. Resulting plane-strain cylindrical stress waves are one-dimensional in nature. Asimultaneity of impact is studied with methods of high-speed photography and dynamic photoelasticity.     

基于数字图像的分离式霍普金森压杆实验中试件应变及两端应力的同步测量法

本文提出一种基于高速摄像和数字图像相关方法(DIC)的分离式Hopkinson压杆(SHPB)测量技术,从而实现试件应变和两端应力的同步测量。即在与试件接触的输入输出杆两端制作散斑,通过高速摄像获取SHPB实验过程中的散斑变形图像,由DIC测得各时刻试件的应变、输入输出杆端的应变(可直接换算为试件两端的应力)。由于试件和杆端的应变都是从同一张高速摄影的图像上分析得到的,因此它们是同步的。应用该方法对钢纤维混凝土试件的SHPB试验进行了测量,测量结果与传统应变片测量结果吻合,验证了该方法的可行性。该技术不仅实现了SHPB实验中试件应变和应力的同步测量,还将有助于直接检验各材料在SHPB实验中试件两端的力在实验过程中是否平衡。     

Dynamic fracture parameters and constraint effects in functionally graded syntactic epoxy foams

Functionally graded syntactic foam sheets are developed by dispersing microballoons in epoxy for studying dynamic fracture behavior under low velocity impact loading. The volume fraction of microballoons is graded linearly over the width of the sheets. The mode-I crack initiation and growth behaviors are studied using reflection coherent gradient sensing technique and high-speed photography in samples with crack on the compliant and stiff sides and oriented along the compositional gradient. Crack growth along the gradient in each case shows sudden acceleration followed by steady state growth and deceleration during the window of observation. In both cases, the crack accelerations are similar while crack decelerations show differences. The dynamic stress intensity factor history prior to crack initiation in each case shows a rapid increase at different rates with the crack on the compliant side of the graded sheet experiencing higher rate of loading relative to the one with the crack on the stiffer side. Post-crack initiation stress intensity factor histories suggest increasing fracture toughness with crack growth in the graded sample with the crack on the compliant side while a decreasing trend is seen when the crack is on the stiffer side.Optical measurements are supplemented by finite element simulations for studying crack tip constraint effects on fracture behavior of graded foam sheets. Computed plane strain constraints in graded configurations are essentially identical to the homogeneous counterpart and the computed stress intensity factors obtained from plane stress elasto-dynamic analyses of the graded foams correlate well with the experimental measurements prior to crack initiation. The computed T-stress histories however, show an earlier loss of negative crack tip constraint in case of the graded foam sample with a crack on the compliant side. This correlates well with the higher crack tip loading rate and earlier crack initiation suggesting a possible role of in-plane constraint on fracture of graded foam. The coincidence of the time rate of change of in-plane constraint parameter becoming stationary close to experimentally observed crack initiation times are noted.     

DYNAMIC STRESS FIELD AROUND THE MODE Ⅲ CRACK TIP IN AN ORTHOTROPIC FUNCTIONALLY GRADED MATERIAL

The problem of a Griffith crack in an unbounded orthotropic functionally graded material subjected to antipole shear impact was studied. The shear moduli in two directions of the functionally graded material were assumed to vary proportionately as definite gradient. By using integral transforms and dual integral equations, the local dynamic stress field was obtained. The results of dynamic stress intensity factor show that increasing shear moduli’s gradient of FGM or increasing the shear modulus in direction perpendicular to crack surface can restrain the magnitude of dynamic stress intensity factor.     

Shock initiated instabilities in underwater cylindrical structures

An experimental investigation to understand the mechanisms of dynamic buckling instability in cylindrical structures due to underwater explosive loadings is conducted. In particular, the effects of initial hydrostatic pressure coupled with a dynamic pressure pulse on the stability of metallic cylindrical shells are evaluated. The experiments are conducted at varying initial hydrostatic pressures, below the critical buckling pressure, to estimate the threshold after which dynamic buckling will initiate. The transient underwater full-field deformations of the structures during shock wave loading are captured using high-speed stereo photography coupled with modified 3-D Digital Image Correlation (DIC) technique. Experimental results show that increasing initial hydrostatic pressure decreases the natural vibration frequency of the structure indicating loss in structural stiffness. DIC measurements reveal that the initial structural excitations primarily consist of axisymmetric vibrations due to symmetrical shock wave loading in the experiments. Following their decay after a few longitudinal reverberations, the primary mode of vibration evolves which continues throughout later in time. At the initial hydrostatic pressures below the threshold value, these vibrations are stable in nature. The analytical solutions for the vibration frequency and the transient response of cylindrical shell are discussed in the article by accounting for both (1) the added mass effect of the surrounding water and (2) the effect of initial stress on the shell imposed by the hydrostatic pressure. The analytical solutions match reasonably well with the experimental vibration frequencies. Later, the transient response of a cylindrical shell subjected to a general underwater pressure wave loading is derived which leads to the analytical prediction of dynamic stability.     

Dynamic crack kinking from a PMMA/Homalite interface

The behavior of a pre-existing, dynamically loaded, interfacial crack kinking away from the interface separating two materials was experimentally investigated under dynamic loading conditions. Dynamic fracture experiments were performed on pre-cracked bimaterial panels of PMMA bonded with Homalite-100 impact loaded using a high-speed gas gun. By varying the location of impact, a large range of mixed mode loading at the crack tip was produced. Information about the stress state surrounding the crack tip was obtained through use of the lateral shearing interferometer of coherent gradient sensing in conjunction with high-speed photography. The high-speed interferogram corresponding, to the time of crack initiation was analyzed in each case to find the preinitiation mode mixity at the crack tip. Measurement of both the local initiation mode mixity and the crack kink angle allows for possible extension of existing quasi-static interface crack kinking criteria, such as maximum opening stress or maximum energy release rate, to the case of dynamic loading. It was found that for bimaterial systems with small material property mismatch, such as the PMMA/Homalite system, the maximum opening stress criterion accurately predicts the relation between crack tip mode mixity and resulting kink angle for small initial crack kinking speeds.