一维静载与循环冲击共同作用下砂岩动态力学特性试验研究

以硬岩巷道的煤系砂岩为研究对象,利用改进的动静组合加载分离式霍普金森压杆系统进行轴压梯度为5、15、20 MPa,冲击气压梯度为0.8、1.0、1.2 MPa的一维循环冲击压缩试验。结果表明：整个循环冲击过程中,在不考虑轴压和冲击气压的情况下,砂岩的峰值应力随着冲击次数的增加呈现先增大后减小的变化趋势,而峰值应变、最大应变及平均应变率均呈现相反的变化趋势;在相同的冲击气压下,砂岩的峰值应力和累计循环冲击次数随轴压的增大而减小;在相同的轴压下,随着冲击气压的增大,峰值应力不断增大,而累计冲击次数却先增大后减小;在一维静载与循环冲击的共同作用下,砂岩的整个冲击过程可划分为压密阶段、内部裂纹发展阶段和加速破坏阶段。研究表明,地下深部矿柱失稳大概率是在静载与动载的相互作用下导致的,而动载的频繁扰动是矿柱失稳的主要影响因素。     

三向围压下碳酸盐岩的动态力学试验

原位地层中的碳酸盐岩在动态冲击下的力学行为是研究大规模开发碳酸盐岩油气藏的基础。利用真三轴霍普金森压杆装置,对碳酸盐岩在三向围压下的动态力学行为进行研究,测得碳酸盐岩试样在受到三向不同围压、单向冲击荷载作用下的动态应变率和动态抗压强度,揭示出在三向围压下碳酸盐岩受到动态冲击后仅出现微裂缝开裂的特征。     

高应变率下硅橡胶的本构行为研究

 硅橡胶是一种高分子聚合物,可以承受大变形,用途广泛。利用改进的分离式霍普金森压杆（SHPB）实验技术,对硅橡胶试样进行了不同应变率下的冲击压缩实验,基于实验数据,利用应变能函数构建了考虑应变率效应的材料本构形式。同时,实验过程中发现,在高应变率加载条件下,材料在压缩变形后出现了损伤线区,线区直径与加载应变率及试样尺寸之间存在一定的定量关系。     

简支圆板在平头弹丸撞击下的变形与穿透

 采用准静态近似理论方法分析简支圆板在平头弹丸正撞下的变形和穿透。首先基于虚功原理得到了静态荷载位移关系,并将其用于预测低速冲击下圆板的能量吸收能力。当考虑了材料的应变率敏感性,并且不发生绝热剪切冲塞破坏的前提下,理论预测和实验结果吻合良好。     

高温高应变率下G550冷弯钢的动态力学行为

为研究G550冷弯钢在高温和高应变率下的动态力学性能,采用高温同步控制霍普金森拉杆装置,开展了不同温度下的高应变率拉伸试验,并在高速液压拉伸试验机上进行了室温下的中应变率拉伸试验。通过获得的应力-应变曲线,得到了材料的本构模型,结合微观形貌分析,探究了温度和应变率对流变应力的影响。结果表明：G550冷弯钢具有明显的应变率强化和温度软化效应。在特定的高应变率范围内(1 000～1 500 s^-1),温度对流变应力的影响大于应变率。基于温度软化系数随温度变化的特征,提出了G550冷弯钢的修正Johnson-Cook本构模型。该模型可以较好地描述G550冷弯钢在高温和高应变率下的动态力学行为,从而为G550冷弯钢在高温、爆炸冲击相关的有限元仿真提供参考。     

基于冰颗粒增强的冻土细观动态本构模型

为了直观地描述冻土在冲击加载下的动态力学性能和应力-应变关系,从细观出发,将冻土视为冰颗粒增强的复合材料,建立了基于冰颗粒增强的冻土细观动态本构模型。根据土相在冲击作用下层层破坏的特点,假定冲击层的动模量因冲击损伤而发生变化,在模型中引入了应变率项。利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对冻土进行冲击加载实验,通过改变温度和应变率,获得了冻土在不同实验条件下的动态冲击应力-应变曲线。实验结果表明,冻土具有明显的温度效应和应变率效应。模型计算结果与实验结果符合良好,验证了所建立的动态本构模型的合理性和适用性,具有很强的工程应用价值。     

无机玻璃动态压缩破坏的离散元模拟

利用离散元软件PFC~(2D)(Particle Flow Code)建立了分离式霍普金森压杆(SHPB)系统,模拟了无机玻璃圆柱和圆盘试件在冲击压缩下的动态力学行为和失效破坏模式。结果表明:无机玻璃作为典型的脆性材料,其抗压强度具有明显的应变率效应,而杨氏模量则对应变率不敏感;无机玻璃圆柱的破坏过程受纵向压力、端面摩擦力以及横向惯性力的影响,初期微裂纹呈三角状分布,随着纵向应力水平的提高,出现明显的泊松效应,产生横向张应力,致使微裂纹沿纵向扩展,最终试件发生沿轴向的劈裂断裂;摩擦系数和泊松比对试件破坏模式及强度有一定影响。将建立的SHPB数值实验平台用于模拟无机玻璃巴西圆盘试验,揭示了圆盘发生中心开裂的拉伸特征及拉伸强度的应变率相关性。     

材料参数拟合方法对弹靶侵彻仿真的影响

弹靶侵彻仿真中材料参数对计算结果有着至关重要的影响。为寻求一套适用于弹靶侵彻仿真计算的材料参数拟合方法,借助前期开展的靶板材料动态力学性能试验、靶板材料断裂试验,通过不同拟合方法依次得到不同的JC本构模型及失效模型参数,依据试验建立有限元计算模型,将数值计算结果与试验结果进行对比。结果表明:(1)对于同一材料的力学性能试验,采用不同的拟合方法可得到不同的JC本构、JC失效参数,二者会对弹靶仿真结果造成一定影响;(2)在不考虑温度软化项的前提下,采用高应变率作为参考应变率进行拟合能更加准确地表征材料在高应变率下的应力-应变关系,更加适用于弹靶侵彻强瞬态、高应变率作用过程仿真;(3)对于同一JC本构模型,采用平均应力三轴度拟合的JC失效模型较采用初始应力三轴度拟合的JC失效模型所得战斗部剩余速度计算结果偏小,仅采用拉伸试件结果拟合的JC失效模型较采用扭转、拉伸试件结果拟合的JC失效模型所得战斗部剩余速度计算结果偏小。     

3 GPa熔融盐固体介质三轴高温压力容器的轴压摩擦力标定

 在温度标定和围压标定的基础上,采用轴压循环方法,对3 GPa固体介质三轴高温高压实验系统的轴压摩擦力进行了标定,分析了围压、温度、轴向位移速率、装样方式（盐套类型）等实验条件对轴压摩擦力的影响。结果表明：静摩擦力、挤压摩擦力和滑动摩擦力3种轴压摩擦力对轴向应力的影响不同,其中静摩擦力和挤压摩擦力对轴向应力的影响很小,影响应力精度的主要是滑动摩擦力。静摩擦力及滑动摩擦力与围压正相关;静摩擦力与轴向位移速率正相关,但受其影响较小,滑动摩擦力不受其影响;静摩擦力和滑动摩擦力与温度负相关,并且受其影响较显著;盐套类型对轴压摩擦力的影响较大,当实验条件接近盐套熔点时,轴压摩擦力显著降低,当样品周围的盐套处于熔融状态时,轴压摩擦力最小。基于此,确定了标定轴压摩擦力的具体步骤,并对角闪岩的应力-应变曲线进行了轴压摩擦力标定。对比轴压摩擦力校正前、后的应力-应变曲线发现,经过轴压摩擦力校正的应力-应变曲线能更好地反映样品的实际变形情况。     

蓄能器壳体的塑性极限载荷和失效分析

结构完整性是液压蓄能器设计制造的重要依据，为确定内压作用下某蓄能器壳体的最大承载能力，采用弹塑性理论分析、数值仿真与试验研究相结合的方法，对壳体塑性极限载荷和失效位置进行研究。结果显示：由于未考虑壁厚的影响，理想弹塑性分析结果明显偏高；尽管忽略了应变强化效应，但是通过荷载因子逐步加载，非线性有限元仿真得出的极限载荷仍然比较接近爆破试验实测值，误差仅为3.5%，并且预测的塑性失效位置与实际破口部位基本一致，说明非线性有限元Risk法能够获得更符合实际的结果，可用于简单薄壁压力容器的分析设计。     

钢筋混凝土墙抗冲击性能的数值模拟分析

为了研究钢筋混凝土墙在冲击荷载作用下的动态响应,借助ANSYS/LS-DYNA建立钢筋混凝土墙的有限元模型。冲击体质量为2 t,冲击速度为3 m/s,分析了轴压比、墙宽和边缘构件对钢筋混凝土墙抗冲击性能的影响。在此基础上,分析了墙体在极限荷载作用下经历的3个阶段,提出了一种在极限荷载作用下墙体破坏失效的判别准则;利用所提出的判别准则分析了在极限荷载作用下轴压比、墙宽和边缘构件的影响。结果表明:在一定范围内,随着轴压比的增加,墙体抗冲击性能提高,有轴压的墙体损伤区域较为集中;增加墙宽和加入边缘构件均能有效增强墙体的抗冲击性能;在极限荷载作用下,冲击质量一定时,随着轴压比的增加,结构破坏失效所需的冲击能变小。     

钢纤维混凝土板在冲击与爆炸荷载下的K&C模型

钢纤维混凝土(Steel fiber reinforced concrete,SFRC)具有优异的延性、韧性及能量吸收能力,被广泛应用于各类防护结构。K&C模型已成为研究普通混凝土构件动力响应的常用材料模型,但仍无法准确表征SFRC的动力特性。为了提高K&C模型在冲击及爆炸荷载作用下预测SFRC板动力响应的能力,对K&C模型进行了改进:基于大量三轴压缩实验数据,建立了新的失效强度面参数模型;采用反复试验法,建立了新的损伤演化模型,并校准了拉、压损伤参数;基于大量高应变率下SFRC的单轴压缩实验数据,建立了新的受压动力增强因子模型。通过LS-DYNA显式有限元动力分析软件模拟了SFRC板的动力响应,模拟结果验证了上述改进的有效性与可靠性。     

采用直、弯静叶压气机时序效应实验研究

本文实验研究了采用直、弯静叶的某重复级低速压气机在不同时序位置时的总性能及横截面流场特性.在不同流量工况下对压气机整体性能及流场进行了详细测量.结果表明,采用正弯静叶的压气机时序效应相对较弱且喘振裕度有所增加;同时,在压比略有减小的前提下(0.1%级别),凭借消耗扭轴功的大幅F降(3%左右),效率在设计工况下最大可提高...     

混凝土类材料在SHPB实验中惯性效应的数值模拟研究（英文）

分离式霍普金森压杆(SHPB)被广泛应用于测试混凝土类材料在高应变率(10~103 s-1)下的动态增强效应。为更好地理解这类问题,进行了数值模拟研究,采用J2本构模型研究SHPB试验中的纵向惯性效应,线性Drucker-Prager模型研究SHPB试验中的径向惯性效应。研究结果表明:纵向惯性效应不影响动态增强因子;径向惯性效应对动态增强因子有影响,但不是混凝土类材料在高应变率下动态增强因子提高的最主要原因。     

保偏光纤光栅应变传感器的研究

针对光纤布拉格光栅(FBG)温度和应变的交叉敏感问题,设计了一种带熔点保偏光纤光栅(PMFBG)结构。该结构通过将2段保偏光纤带加大推进量熔接,形成中间凸起结构,然后在熔点位置写入光栅。文中首先采用熊猫保偏光纤设计制作了该结构,并搭建实验装置测试其在(0~2)N轴向应力作用下的反射光谱,发现PMFBG快轴和慢轴的反射谱均分裂成2个峰值,随着轴向应力的增加,反射谱整体产生红移,同时分裂的2个峰值强度的比值单调减小,且不受温度的影响。随后,采用有限元法分析了该结构的轴向应变分布,并基于传输矩阵法仿真分析了该PMFBG反射光谱随应力的变化特性,仿真与实验结果的一致性较好。证实可利用PMFBG反射光谱的峰值之比消除轴向应变与温度的交叉敏感性,实现轴向应变的测量。     

俄罗斯红松的应变率效应及吸能特性

针对广泛应用于包装运输和侵彻试验等工程领域的俄罗斯红松,实验研究了其在准静态载荷下的应力-应变关系和破坏模式。结果表明:俄罗斯红松在弦向和径向的变形均经历弹性变形、塑性变形和密实化3个阶段,而轴向在达到屈服极限后经历较小的塑性变形,然后发生破坏失效;弦向和径向破坏以沿纤维方向解离为主,而轴向破坏以扭结破碎为主。采用分离式霍普金森压杆装置,在500~5 000s~(-1)的应变率范围内对俄罗斯红松进行了高应变率动态压缩实验。结果表明:与弦向和径向相比,轴向初始屈服应力对应变率更敏感;随着应变率的升高,径向平台应力比弦向增加得更快;弦向和径向的吸能能力随应变率的增加逐渐提高,而轴向则逐渐下降;动态载荷下的破坏模式与准静态载荷下的破坏模式具有较高的相似性。     

电子互连导电胶的力学性能及胶连点跌落冲击行为

电子互连导电胶在便携式电子产品中具有广泛的应用前景，其在服役过程中常承受跌落冲击工况，导致微小导电胶互连点处产生相对较高的应变率，因此关于导电胶在较高应变率下的力学行为及胶连点跌落可靠性研究显得尤为重要。以环氧树脂基添加银导电颗粒各向同性导电胶(ICA)为研究对象，采用万能试验机和分离式霍普金森压杆装置对其开展不同应变率下的力学性能研究，在此基础上进行导电胶互连封装结构的跌落冲击数值模拟分析。结果表明：固化导电胶在动态时具有明显的应变率效应；跌落冲击时，关键胶连点出现在4个边角处且小角度跌落比水平跌落更危险；两种跌落方式中，基座长边跌落方式在关键胶连点处产生的应力、应变相对较大。     

冲击加载下Zr51Ti5Ni10Cu25Al9金属玻璃的塑性行为

进行了10—27 GPa应力范围内Zr₅₁Ti₅Ni₁₀Cu₂₅Al₉金属玻璃的平面冲击实验以研究其高压-高应变率加载下的塑性行为.由样品自由面粒子速度剖面的分析获得了冲击加载过程的轴向应力,并通过轴向应力与静水压线的比较获得剪应力.实验结果表明,尽管存在明显的松弛效应,但Zr基金属玻璃的Hugoniot弹性极限随着冲击应力的增加而增加.然而,塑性波阵面上的剪应力则显示先硬化而后软化现象,而且软化的幅度随冲击应力的增加而增加.冲击加载下Zr基金属玻璃的上述剪应力变化特征与分子动力学模拟结果比较一致,但与压剪实验结果和一维应力冲击实验结果明显不同.     

不同荷载水平及速率下超软土水相核磁共振试验研究

大规模建设中面临越来越多的淤泥等超软土地基处理,其目的是尽可能排出超软土体中的水而使土体固结,以改善其物理力学性能.静动力排水固结法试图利用高能量冲击而将超软土中部分结合水转换为自由水,进而实现更多水的排出而有效固结.然而,目前还不十分清楚能造成这种水相变化的冲击荷载究竟要达到何种水平及速率.为此,在模拟条件的、淤泥土的不同类型荷载水平及速率试验基础上,进行核磁共振水相测试,探索了典型荷载水平及速率下这种超软土中结合水可转化为自由水的条件及规律,主要为:1)对应于通常工程荷载的较低能量真三轴试验荷载速率与水平(1.6 MPa/s与100 kPa及以下),淤泥类超软土中非自由水不能转化为自由水.2)对应于静动力排水固结法条件的高速冲击荷载下(每击荷载水平3787 kPa,速率631.2 MPa/s),非自由水可转化为自由水;且冲击总能量越大(遍数及击数越多),就越易析出自由水.3)约束样品的侧限刚度对非自由水转化为自由水的影响可忽略.     

围压作用下伟晶辉长岩的能量特性及破坏模式分析

为探究围压条件下伟晶辉长岩的能量释放与破坏模式的关系,利用霍普金森压杆和LS-DYNA数值模拟软件对伟晶辉长岩开展了不同围压和不同冲击速度下的动态力学性能测试,分析其在不同围压和应变率下的能量释放特征及破坏规律。结果表明：高围压下,试样无明显塑性变形阶段,且围压状态对高应变率下的动态抗压强度有抑制作用,当冲击气压高于0.4 MPa时,动态抗压强度的增长趋势放缓;应变率和围压对伟晶辉长岩的能量与破坏模式有显著影响。随着围压的升高,试样的反射能占比增大,而透射能占比减小;能耗密度随应变率的增加而增大,当应变率为95 s^-1时(对应的冲击气压为0.4 MPa)出现拐点,同时高围压下的能耗密度大于低围压下的能耗密度。对于处于围压下的试样,其破坏断面多带有一定的角度,通过LS-DYNA有限元软件模拟了试样在围压下的动态破坏过程,发现中低围压下试样多呈剪切破坏,而高围压下试样有多条剪切裂纹发育贯通,呈复合破坏模式。