PMMA膨胀环动态拉伸碎裂实验研究

在强动载作用下, 脆性材料的碎裂问题是一个重要的研究课题, 而脆性材料在冲击拉伸载荷下的力学行为的实验研究相对较匮乏. 提出了一种动态拉伸断(碎)裂的液压膨胀环实验技术, 可用于准脆性/脆性材料的动态拉伸. 利用该技术对有机玻璃(PMMA)圆环试件进行了不同膨胀速度下的动态碎裂实验研究. 从回收碎片的断口形貌和碎片内部残余裂纹观察可知试件的破碎由环向拉伸应力造成, 碎片断口处发出的稀疏波会将周围的拉伸应力卸载, 从而抑制其他裂纹的进一步发展. 利用超高速相机记录了试件的膨胀碎裂过程, 利用DISAR激光速度干涉仪获得了试件外表面粒子的径向膨胀速度历史, 通过试件上的应变片获得了试件的应变历史和断裂应变. 实验结果表明: 在拉伸应变率150\mathrm{~}500s^{-1}范围, 材料的动态断裂应变低于准静态加载下的断裂应变, 体现出“动脆”现象; 随着加载应变率的提高, PMMA 材料的碎片尺寸减小; 无量纲化的PMMA圆环的平均碎片尺寸介于韧性碎裂模型和脆性碎裂模型的预测数值之间, 反映出材料的准脆性特性.      

脆性膨胀环动态拉伸碎裂实验研究

发展了一种液压冲击脆性膨胀环实验技术,通过可升降的凸台对脆性膨胀环进行精确的对心定位安置,避免偏心膨胀带来的弯曲断裂,通过膨胀环试件上的半导体应变片测量其在拉伸碎裂过程中的应变时程曲线;对典型脆性材料碳化硅（SiC）陶瓷进行了膨胀拉伸碎裂实验研究,获得了其动态拉伸断裂强度和碎片平均尺寸及分布。实验结果表明:(1) 液压冲击膨胀环实验能较好地实现脆性膨胀环的拉伸碎裂,在应变率101 s?1量级下,SiC陶瓷拉伸断裂应变为3.7×10?4～7.4×10?4,平均拉伸断裂应力为206 MPa;(2) SiC陶瓷无量纲化平均碎片尺寸落于多种脆性碎裂预测模型的合理区间内,随着加载应变率的提高,SiC陶瓷的平均碎片尺寸减小;(3) SiC陶瓷拉伸碎裂的碎片分布基本符合Rayleigh分布,但是在细小尺寸上和大尺寸碎片分布上存在一定偏差。     

液压膨胀环动态拉伸碎裂的有限元模拟

液压冲击膨胀环实验平台能有效地实现韧性金属圆环在高应变率拉伸载荷作用下的动态断（碎）裂。本文采用流固耦合的有限元数值计算方法,模拟了实验过程中金属圆环在高压液体作用下的运动、变形和断裂现象。分析了装置和试件的接触应力对试件碎裂过程的影响并讨论了如何实现液压对试件的有效加载。计算结果表明,实验中的初始接触应力和液体的较长时间加载对试件的碎裂过程没有显著影响;在合理的加载条件下,液压膨胀环实验技术是研究固体动态拉伸碎裂的有效手段。     

PMMA动态拉伸破坏实验研究

本文利用Hopkinson压杆系统对PMMA变截面柱锥试样进行冲击加载,研究材料动态拉伸断裂特性和破坏机理.由于PMMA的拉压强度差别不大,采用圆柱状试件难以产生反射拉伸破坏,因此,将试样设计为圆柱锥状,实验时,将试样的圆柱端粘贴于输入杆上.实验结果表明,在一定的撞击速度下,由于应力波的汇聚作用,在试样锥段产生了反射拉伸破坏;当撞击速度较高时,在产生反射拉伸破坏的同时,试件中还产生了银纹区,随着打击速度的提高,银纹区域增大.同时根据断口的SEM观察,研究了材料的破坏机制.     

径向膨胀Al2O3陶瓷环动态拉伸破碎的实验研究

利用基于Hopkinson压杆技术设计的冲击膨胀环实验装置,开展了不同撞击速度下Al2O3陶瓷圆环的冲击拉伸和破碎实验研究.实验结果显示:随撞击速度增大,陶瓷环破碎产生的碎片数目增加,断口分析表明绝大多数的断口都是沿径向断裂,说明陶瓷环的破碎由膨胀环的径向拉伸应力产生;利用实测入射杆和透射杆的应力波形,获得陶瓷环发生破碎的时间和载荷信息,在一定的近似假定下,初步估算陶瓷环的表观动态拉伸强度介于160 Mpa和250 Mpa之间,比静态强度130 Mpa显著提高.     

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.     

爆炸膨胀环实验技术初步研究

为避免对碰爆轰波加载时的应力不均匀性,初步建立了爆炸丝线起爆方式的爆炸膨胀环实验技术。长度为200mm、直径为0．175mm的铜丝爆炸同步性小于0．2μs,基本实现了同步起爆粉末泰安炸药,通过膨胀环实验初步获得无氧铜试样环的膨胀速度历史,为进一步利用爆炸膨胀环实验研究材料的高应变率拉伸加载时的本构关系奠定了基础。     

冲击膨胀环实验技术

膨胀环技术是一种研究高应变率加载下材料力学性能及动态拉伸破碎特性的实验方法,具有试样的应力状态近似一维、无边界条件等优点,在处理应力波相互作用关系复杂的动态破碎问题方面优势明显。为了方便膨胀环技术在实验室内使用,设计了一种基于轻气炮的冲击膨胀环实验装置,实现了材料的一维高应变率拉伸加载。冲击膨胀环装置采用轻气炮加速低密度高聚物弹丸,高速撞击驱动器内低密度高聚填充物,低密度高聚物挤压膨胀导致驱动器内部压力瞬时达到GPa级,驱动器向外膨胀实现径向加载,试样圆环在驱动器的作用下瞬间获得较高初始速度。实验中利用激光位移干涉仪测量试样的径向速度历史,经过数据处理可以获得材料的应力、应变和应变率的关系,收集试样圆环破片可以获得材料的动态拉伸破碎特性。基于轻气炮的冲击膨胀环实验技术方便、有效,已成功应用于1100-O铝材料的动态性能和破碎特性测试。     

固体的冲击拉伸碎裂

固体材料在冲击拉伸载荷作用下常常会断裂成多个碎片(碎片化),固体材料碎片化的物理机制是多点损伤同时在固体中成核和发展,导致固体多处破坏。自 Mott 对固体的动态碎裂问题进行了开创性研究后,几十年来,对固体动态碎裂机制的研究一直是应用物理学、力学、航天和兵器工程等领域共同关心的重要课题。本文介绍了在冲击拉伸载荷作用下固体的动态碎裂研究的发展历史,给出相关的理论分析、实验研究和数值模拟的研究进展,特别针对现有的各种关于碎片尺度、碎片分布、以及碎片化物理机制的理论模型进行了较详尽的阐述和讨论,最后指出现有实验和理论研究中仍然存在的关键科学问题及进一步的研究展望。     

固体的冲击拉伸碎裂

固体材料在冲击拉伸载荷作用下常常会断裂成多个碎片(碎片化),固体材料碎片化的物理机制是多点损伤同时在固体中成核和发展,导致固体多处破坏.自Mott对固体的动态碎裂问题进行了开创性研究后,几十年来,对固体动态碎裂机制的研究一直是应用物理学、力学、航天和兵器工程等领域共同关心的重要课题.本文介绍了在冲击拉伸载荷作用下固体的动态碎裂研究的发展历史,给出相关的理论分析、实验研究和数值模拟的研究进展,特别针对现有的各种关于碎片尺度、碎片分布、以及碎片化物理机制的理论模型进行了较详尽的阐述和讨论,最后指出现有实验和理论研究中仍然存在的关键科学问题及进一步的研究展望.     

PMMA低、中应变率单向拉伸力学性能的实验研究

利用MTS810试验机和自行研制的中应变率材料试验机对有机玻璃(PMMA)准静态(应变率为2.00×10-2s-1,2.01×10-3s-1和2.38×10-4s-1)和中应变率(应变率为18.6s-1,2.81s-1,6.54×10-1s-1和2.92×10-1s-1)单向拉伸力学性能进行了实验研究。应变率为2.38×10-4s-1时,应力-应变曲线中存在软化段。结果显示,在上述应变率范围内,PMMA的力学性能具有明显的应变率相关性,表现为应变率强化、应变率硬化和高速脆性。PMMA的拉伸力学性能在应变率达到18.6s-1时出现了更大的应变率敏感性。采用包含一个非线性弹簧和六个松弛模式的粘弹性模型分析PMMA力学性能的应变率相关性,得到PMMA在低、中应变率下单向拉伸的本构方程,理论结果与实验结果符合较好。     

混凝土动态直接拉伸实验技术研究

霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,简称为SHPB)实验装置越来越多地被应用于混凝土等脆性材料动态压缩力学性能的研究之中。由于种种原因,混凝土动态拉伸的实验研究一般还是通过SHPB实验装置间接进行(例如层裂实验和巴西圆盘实验等)。本文以C30混凝土材料为例,根据霍普金森实验技术的两个基本假定(一维假定和均匀假定),探讨了利用大直径(Φ75mm)霍普金森拉杆(Split Hopkinson Tension Bar,简称为SHTB)实验装置对混凝土类试件进行动态直接拉伸的实验技术问题,提出了一种可行的对混凝土类材料进行直接动态拉伸实验的方法。     

预置圆孔膨胀环动态断裂行为研究

利用中心线起爆膨胀环加载技术,采用分幅摄影技术观测了20号钢圆环在准一维拉伸作用下,预置圆孔缺陷临近区域的动态断裂特征。获得了高应变率下圆孔的变形、裂纹的萌生及扩展过程。并采用LS-DYNA3D有限元程序分步建模,将驱动器对膨胀环的冲击压力简化为直接作用于圆环内壁的压力历史,以此模拟了整个断裂过程。通过实验图像,得到裂纹尖端的位移以及速度随时间变化的曲线。结果表明,宏观可见裂纹出现于应力集中最大处,裂纹扩展速度随时间振荡,数值模拟与实验结果吻合较好。     

大理岩动态劈裂拉伸断裂的实验研究

利用直径为100mm的Hopkinson压杆和薄圆形铝片作为波形整形器,用不同弹速径向冲击大理岩平台巴西圆盘来研究其动态拉伸强度.考虑了试样的尺寸大小及两个平台附近应力的时间不均匀性与空间不均匀性对实验结果的影响.分析了试样的最大应变率、破坏时间、破坏模式以及破坏过程中的载荷应变关系,得到了关于大理岩在高应变率下拉伸强度及弹性模量的一些结论.进一步又利用该装置径向冲击人字形切槽巴西圆盘试样,对试样的起裂时间进行了初步的研究,以便今后测试动态断裂韧度.     

大理岩动态劈裂拉伸的SHPB实验研究

利用直径100 mm的Hopkinson压杆和薄圆形铝片作为波形整形器,用不同弹速径向冲击平台巴西圆盘试样以研究大理岩的动态拉伸强度。分析了试样的应变率、破坏时间、破坏模式,以及破坏过程中的载荷-应变关系,得到了关于大理岩在高应变率下拉伸强度及弹性模量的一些结论。考虑了试样的尺寸大小及两个平台附近应力的时间不均匀性与空间不均匀性对实验结果的影响。同时,利用有限元法对平台巴西圆盘试样的动态应力分布进行了数值模拟,验证了动态劈裂拉伸实验的有效性。     

动态拉伸及动态循环加载实验技术

本文介绍了多种动态拉伸及动态拉-压循环加载实验技术,并对各自的优缺点及应用作了简要的评述.     

Y态TU1环的动态脆性碎裂特性

针对膨胀环的碎裂问题,以Mott碎裂理论和Grady能量平衡理论为基础,利用裂纹张开位移碎裂模型（crack opening displacement model,COD）描述脆性无氧铜环的碎裂特性,并推导了碎片尺寸和数目表达式。利用电磁膨胀环加载技术,完成了不同应变率的脆性无氧铜（TU1）环碎裂实验,实验结果与理论计算结果符合较好,可为脆性金属环膨胀碎裂特性描述提供参考。     

高强铝合金的动态拉伸断裂行为实验研究

采用不同的冲击加载方式对棒材铝合金(2024-T4、7075-T6)进行动态拉伸断裂实验研究.单轴动态拉伸加载下7075 T6的初始屈服应力与断裂应变明显高于2024 T4,但三点弯曲和层裂实验中,2024 T4表现出更好的抗裂纹扩展与层裂失效能力.断口扫描电镜分析发现:2024-T4中孔洞或裂纹主要成核于晶内强化相,形成穿晶断裂,而7075-T6部分孔洞或裂纹在晶界成核增长形成沿晶断裂,部分孔洞或裂纹在晶内强化相周成核形成穿晶断裂.     

脆性PMMA带板中的动态裂纹传播实验

设计了一种研究裂纹在脆性带板(Strip)中传播行为的实验装置。将矩形无预制裂纹的脆性有机玻璃(PMMA)试件上下边固支,在万能试验机上施加拉伸载荷直到给定幅值,然后在试件侧边中央部位开启一个尖锐裂纹。由于预加的拉伸载荷作用,新开启的裂纹将沿试件中部快速传播,导致整个平板试件断裂。采用印刷在试件表面的导电断裂丝记录裂纹的动态传播历史。设计了一种逻辑电路,可将多达128路电阻丝的断裂信号转换为1路输出信号,使用高速波形记录仪测量该信号,得到裂纹传播距离与时间关系。对不同形状的试件施加不同幅度的预加载荷,完成断裂实验,确定了裂纹的稳定传播速度。通过大量实验,获得了材料中稳定裂纹速度v0与动态裂纹传播能Gc之间的关系。测试结果表明:PMMA的传播能Gc是传播速度v0的递增函数;当裂纹平均的稳定速度超过某一临界值时,出现明显的速度振荡。     

爆炸膨胀环实验数据处理方法讨论

采用线性关系式及多项式对爆炸膨胀环速度曲线上不同长度的数据窗口进行拟合,获得了应力应 变关系,结果表明数据窗口的选取是膨胀环实验数据处理的基础;同时发现当拟合关系式高于2次时,获得的 应力应变关系从形式上偏离了物理规律。对数据进行高阶光滑后采用差分方法直接处理,可以更好地反映膨 胀环速度历史与瞬时应力之间的关系,澄清了2次以上关系式拟合处理得到的应力应变关系偏离物理规律并 不是由数据处理方法造成的,而是由速度点测试的不确定性造成的。