薄壁球壳压缩非对称屈曲特性的实验及有限元分析

采用实验方法研究了球壳在刚性板准静态和冲击压缩下变形特性及非对称屈曲模态, 结合ABAQUS有限元分析了球壳冲击压缩下的屈曲变形过程、非对称屈曲特性, 探讨了其影响因素. 研究结果表明: (1)非对称屈曲模态与冲击速度相关, 随着加载速度提高, 薄壁球壳非对称屈曲从5边形转变为6边形. (2)在冲击速度较小时, 力—位移响应曲线及失稳变形模态与准静态几乎相同, 可近似按准静态过程分析. (3)在对称屈曲阶段的力—位移响应曲线, 有限元与实验结果吻合较好. 进一步对实验与有限元模拟结果在非对称屈曲阶段的差别进行了探讨, 认为冲击实验中平板与球壳的接触约束变化对非对称变形过程有重要作用.     

增材制造八角桁架点阵结构材料的力学行为

基于激光选区熔化增材制造技术(SLM), 以GP1不锈钢为母材, 制备4种相对密度的八角桁架点阵结构试样, 开展了准静态单轴压缩和直接撞击式霍普金森压杆实验, 并结合显式有限元计算模拟, 研究了相对密度和加载速率对八角桁架点阵结构试样在力学响应、变形模式和吸能特性的影响. 结果显示: (1)相对密度是影响八角桁架点阵结构材料力学响应的关键参数, 屈服载荷随着相对密度基本呈线性增长, 并且表现出明显的应变率强化效应; (2)在准静态压缩下, 随着相对密度增大, 八角桁架点阵结构的变形模式由弯扭屈曲模式逐渐向稳定屈服模式转变; 而在冲击压缩下, 八角桁架点阵结构的变形模式随着冲击速度由对称稳定变形模式向非对称逐渐压垮模式转变; (3)八角桁架点阵结构总吸能随着相对密度线性增大, 而比吸能随着相对密度呈现双线性变化, 在相对密度30%处出现拐折, 当相对密度高于30%后, 比吸能增大缓慢; (4)与准静态加载相比, 冲击加载下八角桁架点阵结构的总吸能和比吸能都显著提升.     

对于常规与脉冲造型SHPB分析的讨论

对于用常规SHPB试验确定的材料一维应力动态压缩特性,提出直接考证方法：把确定的试件材料的一维应力本构关系嵌入SHPB试验的全过程数值模拟,基本上再现了实验的反射波和透射波.把由一维准静态及动态压缩试验结果所确定的镁铝合金本构关系嵌入常规SHPB试验的全过程数值模拟,结果表明,采用SHPB试验经典分析所估算的应力、应变、应变率与试件典型差分微元在试验过程中所经受的应力、应变、应变率基本一致.本文对镁铝合金的脉冲造型SHPB试验进行了数值模拟,使试件有相当长的历时处于近乎常应变率状态.因此,对于应变率敏感材料的SHPB试验,入射波造型设计是有意义的.     

薄壁圆管轴向冲击下的动态特性研究

采用落锤冲击实验机和材料实验机(MTS)研究薄壁圆管轴向载荷下的动态力学特性,得到不同冲击速度下的轴向力-位移曲线.发现惯性对薄壁圆管轴向压缩的动态吸能特性影响不大,而落锤不同冲击加载速度即代表应变率的变化引起的薄壁圆管材料屈服应力的提高,使得薄壁圆管比吸能SEA(单位质量结构所吸收的能量)和平均轴向压缩力Pm随着应变率的增加而呈上升趋势.对不同应变率下的Pm进行无量纲化处理,发现实验结果与前人推导的理论结果趋势一致.对比动态和准静态实验结果,发现圆管的动态变形模态相比准静态结果发生了改变,更高速度冲击下薄壁圆管的动态特性有待进一步研究.     

GCr15马氏体钢剪切试样断口局部熔融研究

本文采用开45?缺口剪切压缩试样, 比较研究GCr15马氏体钢在准静态压缩和高速冲击下样品断裂面的温升机制. 结果显示两种加载状态的断口上都发现了大量的局部熔融, 说明温升均超过1500℃. GCr15马氏体钢的塑性很低, 然而在剪切应力主导的试样上, 两种加载的剪切面均发生了很大塑性应变. 试样断裂瞬时所释放的能量以及裂纹面间的大滑移摩擦导致局部温升超过熔点. 分析结果表明, 两种加载模式下产生的熔融物均由残余奥氏体和孪晶马氏体组成. 受热的影响, 熔融物下面的基体组织经历了动态再结晶, 从而形成马氏体和奥氏体等轴晶. 因此,在剪应力主导的应力状态下, 马氏体钢的剪切断裂机理与加载速率无关, 高速冲击与准静态加载下的断裂模式和机理没有本质区别. 断裂瞬间产生局部温升促使材料熔融, 这是该材料剪切断裂的特性. 本文结论对GCr15马氏体钢剪切主导断裂机理的认识有重要意义.     

冲击压缩下纯铝中微孔洞塌陷的数值模拟

由于实验中无法观察材料的孔涮在受冲击加载时的变形过程,本文对纯铝中孔洞的变形过程进行了数值模拟.采用了3种材料模型:舣线性模型、塑性随动模型和应变率相关塑性模型,分别模拟了它们在冲击压缩下内部微孔洞的塌陷,并对结果作了详细的比较.结果表明:基体材料模型为双线性模型时,孔洞在冲击压缩下会出现射流现象,应变率的变化和材料的硬化方式不影响孔洞的变形;模型为应变率相关塑性模型时,孔洞在冲击压缩下不会出现射流现象,孔洞的变形与当前应变率和应变率历史相关;模型为塑性随动模型时,孔洞在压缩到某一时刻体积不会进一步缩小,孔洞周围单元会因失效而被删除,孔洞反而有变大的趋势,并且用这种模型模拟孔洞变形时,硬化系数会对孔洞变形有影响.通过对使用3种模型计算结果的比较,可以确定影响孔洞变形的主要因素.     

冲击压缩下石英玻璃柱的破坏实验研究和数值模拟

本文开展了一维应力冲击压缩下玻璃圆柱的压缩破坏实验研究.利用高速气枪装置发射石英玻璃圆柱试件垂直撞击刚性壁(Taylor撞击),采用超高速摄像机拍摄试件的冲击压缩破坏现象.实验中观测到一个产生于碰撞边界,向圆柱内部传播的移动破碎阵面,即失效波.在冲击压缩区内失效波的传播速度介于2~4 mm·μs~(-1)之间,随着冲击压缩载荷的增大而增大,随传播距离的增加而减小.经过一定时间,在试件的对向自由端区域,产生一个拉伸应力主导的碎裂区;与玻璃柱试件两端严重的破碎区域相比,试件中部产生一个相对透明区,其破碎程度较低.采用应力波分析方法说明了试件内部不同破碎特征区域的形成机理;采用离散元方法对实验过程进行数值模拟,取得了与实验现象一致的结果.     

冲击荷载下C型G550冷弯钢的断裂机理研究

以C型G550薄壁冷弯钢构件为研究对象, 通过材料在不同应变率下的拉伸实验和数值模拟数据得到Johnson-Cook (J-C)本构模型和Johnson-Cook失效模型参数. 通过Abaqus软件模拟了不同冲击荷载作用下C型冷弯钢构件撕裂破坏的全过程, 利用落锤装置轴向冲击试验进行对比, 其实验结果与有限元数值模拟结果有良好的一致性. 此外, 对冲击试样撕裂断口进行微观形貌分析, 得到构件的断裂机理. 结果表明: 随着冲击速度的提高, 冲击力对构件的加载时间增加, 构件需要较大的塑性变形来吸收冲击能量; 冲击速度越高, 裂纹扩展功所占吸收冲击能量的比例越大, 显示出高速下裂纹扩展的能力越好; 冲击速度较高时, 以脆性断裂为主, 断口出现解理面, 甚至在高速变形时发生了绝热剪切破坏.     

纳米橡胶填充环氧树脂的压缩力学性能

鉴于复合材料具有不同于一般材料优异的性能,因此有必要在宽广应变率的范围内（从准静态到冲击动态）来认识纳米粒子的增强增韧效应及其机理．为了对纳米橡胶／环氧树脂的动静态压缩力学性能进行研究,分别在霍普金森压杆（SHPB）和MTS液压伺服材料试验机上进行了纳米橡胶填充环氧树脂复合材料的动静态压缩实验,并将实验结果与细观力学方法的预测性能进行了比较分析,探讨了纳米级橡胶颗粒对基体材料环氧树脂的改性效果．     

基于霍普金森拉杆试验的焊点焊核区动态本构关系确立

以DC53DZ为基板, 进行焊点结构的焊核区力学特性研究. 通过设计试验试件并利用MTS静态拉伸机及霍普金森拉杆(Split Hopkinson Tension Bar, SHTB)对其进行准静态拉伸及应变率600~1600S-1之间的动态拉伸试验, 得到焊核区的力学特性, 并确立了其基于Cowper- Symonds本构方程参数. 利用数值仿真对焊核动态拉伸试验进行模拟, 验证了设计试件的长宽比能使试件满足试验要求的轴向应力应变均匀状态. 最后由模型中得到的焊核区应力－应变曲线与试验数据拟合, 再现了焊核区材料特性试验曲线. 验证了DC53DZ钢板的焊点焊核的本构方程参数的合理性.     

冲击加载下纤维增强水泥的动态损伤和失效特性研究

为了研究纤维增强水泥(FCEM)在冲击加载下的损伤演化特性，我们发展了一种基于压剪联合加载的横向剪切波跟踪技术(SWT)。该技术可以实时跟踪测量试样内部损伤失效行为．初步实验结果表明，FCEM的P—V Hugoniot线具有4个特征点A、B、C、D，分别对应材料的HEL点，剪切强度极限点(损伤至失效转变点)，孔洞崩塌点和密实介质再压缩点，其中孔洞崩塌约产生10％的体积压缩．本文采用三维离散元方法(DM3)对脆性材料中的孔洞崩塌进行了数值模拟，得到较满意的结果．     

爆炸柱壳动态断裂准则的研究

本文以一种典型的FAE装置为实际研究对象，通过对其薄柱壳在内部爆炸载荷下的动态膨胀断裂过程进行数值模拟，推导出一种实用的动态断裂准则；且在推导中引入了一个损伤演化方程．准则表明最终的结构破裂取决于与临界损伤变量密切相关的断裂应变．经算例验证，该准则的理论解和数值结果吻合较好．     

603、675装甲钢动态性能测试及本构关系建立

利用一维Hopkinson压杆实验设备，对603、675两种装甲钢的动态压缩力学性能进行了较为系统的测试，在此基础上建立了2种装甲钢的Bodner-Partom本构方程，经程序计算与实际试验结果对比，表明本构方程能够较好地反映材料在动载荷条件下的力学行为．     

混凝土动态劈裂拉伸试验的数值模拟

采用LS-DYNA有限元编码程序，对混凝土的动态劈裂拉伸试验进行了数值模拟，给出了混凝土试样在不同类型加载情况下应力分布之间的差异，证实了动态劈裂拉伸试验的有效性，提出了改进试验方法的若干结论．     

不同落锤速度冲击下混凝土和RC梁破坏研究

为探究冲击载荷作用下钢筋混凝土(RC)梁的破坏模式转变及影响因素, 对素混凝土梁和无箍筋轻RC梁试样开展落锤冲击实验及有限元分析, 结果表明: (1) RC梁的冲击破坏模式与冲击速度、配筋率相关, 在较低速度下以弯曲破坏为主, 随速度提高将出现跨中呈现八字形的剪切破坏模式, 并随纵筋率增大剪切破坏转变的临界速度呈增大趋势, 但在更高速度下(＞10m?s-1), 素混凝土及RC梁均会出现局部冲切破坏. (2)梁冲击力峰值随冲击速度增加而增大, 受梁的配筋率影响较小, 但在较高冲击速度下(＞4.85m?s-1), 梁冲击力峰值并不随速度增加而增大; (3)有限元分析RC梁的冲击响应及破坏过程与实验现象及趋势符合较好.     

一种基于微孔洞聚合模型的韧性材料失效判据

通过对阵列微孔洞附近应力场的三维有限元数值模拟计算,分析了韧性材料动态失效强度与材料应变率和材料中微孔洞相对间距的数值关系.基于微孔洞聚合模型,通过对微孔洞相对间距与微孔洞附近局部静水拉应力之间数值关系的分析,认为微孔洞之间韧带上静水拉应力对微孔洞相对间距很敏感,从而建立了以微孔洞相对间距和静水拉应力为参数的韧性材料动态失效判据.基于此失效判据,通过数值模拟得到韧性材料在不同应变率下的材料失效强度,并且可以合理解释韧性材料的动态失效.