水泥砂浆在主动围压下的动态力学性能

水泥砂浆等脆性材料的力学性能与所受围压的大小密切相关。为了研究水泥砂浆在围压下的动态力学性能,研制了适于分立式Hopkinson压杆加载的主动围压装置,最大预加载主动围压大于30 MPa。实验得到了水泥砂浆在不同围压、不同应变率下的轴向应力应变曲线,发现材料在围压作用下抗压强度和韧性大大提高并且整体进入了伪塑性,而材料的应变率效应也是显著的。     

用于脆性材料的Hopkinson压杆动态实验新方法

岩石、陶瓷或混凝土等脆性材料,在用Hopkinson压杆对其实施高应变率加载实验时,由于其破坏应变很小,试件通常在加载入射波的波头部分（含初始上升沿和较大的弥散振荡部分）就已破坏失效,因此采用常规的实验或数据处理方法很难得到精确有效的实验结果,本文提出的Hopkinson压杆装置预留间隙实验法能使加载入射波波幅振荡明显减且初始上升时间为零,有效地减小了弹性波弥散带来的误差,使贴于压杆中部的应变片测得的信号经处理后很大程度上直接反映的是试件端面的实际受力状态,且由于避免了试件在加载波上升沿段的稳定受力而使应变率历史曲线更趋于恒定,这为提高Hopkinson压杆装置的实验精度,特别是为脆性材料提供了一种实施高应变率实验的实用可行的途径。     

基于三维Hopkinson杆的混凝土动态力学性能研究

混凝土、岩石类材料在复杂应力状态下的动态力学性能研究一直备受关注,但鉴于动态实验的复杂性,对真三轴应力状态下材料的动态加载一直未曾实现。本文中研制了一套真三轴静载作用下混凝土、岩石类材料的“三维Hopkinson杆”动态力学实验系统,为冲击载荷作用下材料动态各向异性特性的研究提供了一种有效的实验测试技术。该系统采用液压伺服控制对立方体试件施加三向独立的0~100 MPa真三轴静载,再利用分离式Hopkinson压杆对试件施加冲击动载,具体研究了C30混凝土材料在不同真三轴静载条件下的动态压缩性能,得到了不同条件下X、Y、Z方向上的动态应力应变关系。     

岩石SHPB实验加载过程中应力平衡问题分析

运用一维应力波理论,分析了弹性应力波在分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验中的传播过程,推 导出试件和压杆中应力分布相关计算公式。探讨了有关因素对试件应力平衡时间的影响规律,发现试件应力 平衡时间受试件/压杆广义波阻抗比和入射加载升时的影响显著,而不受试件/压杆截面积比和入射加载应力 幅值的影响。结合岩石SHPB实验,计算分析了不同入射加载应力幅值在不同入射加载升时情况下,试件达 到应力平衡时的应变变化特征,并提出了降低试件在应力平衡时的应变控制方法,使试件在未达到断裂应变 之前达到应力平衡,以保证实验的有效性。得出的结论对岩石类脆性材料SHPB实验方案设计具有一定的 参考意义。     

两点应变测量法在SHPB测量技术上的运用

介绍了两点应变测量法在分离式Hopkinson压杆 (SHPB)测量技术上的运用。该方法通过测量一根压杆两个不同地方的应变 ,利用一个简单的反复过程将压杆中相对传播并叠加在一起的右行波与左行波分离 ,从而利用输入杆对试件的多次加载来研究软材料的动态力学性能。利用该方法计算所得的最大应变比利用传统SHPB测量技术得到的最大应变增大了 2～ 3倍。     

Hopkinson压杆技术的推广应用

简要介绍了Hopkinson杆的几种工程应用,包括:(1)用同步组装系统进行高温、高应变率耦合作用下材料动态力学性能的测试;(2)在Hopkinson压杆技术中实现单脉冲加载及其在动态损伤力学中的应用;(3)用Hopkinson压杆加载三点弯曲试样测定材料的动态起裂韧性;(4)用Hopkinson压杆技术对加速度传感器在3 000~200 000g范围内进行g值校准。还介绍了这些应用的基本原理、测试方法及所取得的成果。     

直撞式霍普金森压杆二次加载技术

利用传统分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）实验技术来实现试件在较低应变率下的大变形时,需要使用超长的压杆系统,杆件的加工和实验空间限制了该技术的推广应用。鉴于此,提出一种直撞式霍普金森压杆二次加载实验技术,利用透射杆中的应力波在其末端的准刚性壁反射实现对试件的二次加载,并分析了准刚性质量块尺寸对二次加载的影响规律;采用二点波分离方法对叠加的应力波进行了有效分离和计算,在总长4 m的压杆系统中实现了1.2 ms的长历时加载,并可以准确获得试件的加载应变率曲线和应力应变关系。建立了直撞式霍普金森压杆二次加载有限元模型,数值仿真结果表明,该实验技术能有效地实现试件的二次加载,与超长SHPB系统获得的仿真结果相比较,两者的试件应力应变关系完全一致。利用该技术对1100铝合金材料进行动态压缩实验,实现了其在102 s?1量级应变率下的大变形动态力学性能测试。     

混凝土材料的层裂特性

利用Hopkinson压杆作为实验设备,通过试件后面吸收杆上应变波形研究了混凝土材料的层裂特性。不同强度混凝土在不同加载率下的实验结果表明,混凝土层裂强度与其压缩强度以及加载速率有关,给出了层裂强度和压缩强度以及加载率之间关系的经验公式,并指出不同加载速度下混凝土裂纹扩展方式不同是层裂强度率效应的主要原因。加载压缩波损伤的影响、重复加载实验以及多次层裂的顺序都表明,损伤对混凝土的层裂过程有重要影响。     

高温下轻质泡沫铝动态力学性能实验

对传统的分离式Hopkinson压杆装置加以改进,设计了一种长杆直接撞击Hopkinson杆的实验方案,检测出低波阻抗材料在高温动态加载下的应力均匀性。对轻质泡沫铝材料的实验表明,在同一撞击速度下,温度越高,试件两端的应力均匀性越差,增加温度与提高撞击速度均会导致泡沫铝材料冲击端与支撑端的应力不均匀性。根据高温下应力均匀性的实验结果,确定高温下试件均匀变形对应的冲击速度,再通过传统的分离式Hopkinson压杆实验得出泡沫铝在高温动态下的力学性能。     

基于数字图像相关性方法的脆性材料拉氏反分析实验技术

利用分离式Hopkinson压杆作为加载系统,借助超高速数字图像相关性分析方法,发展了长杆试件拉氏反分析实验技术,并用于研究脆性材料在小变形条件下的动态本构特性。通过超高速相机实时拍摄冲击加载下长杆试件变形的散斑图像,再对散斑图像进行数字图像相关性（digital image correlation,DIC）分析,获得长杆试件表面速度场和应变场。随后,以脆性材料PMMA（polymethyl methacrylate）为例,从DIC分析得到的速度场中提取出不同拉格朗日位置上质点速度时程曲线,构建路径线连接整个速度场,再结合零初始条件,数值求解得到了试件中的应力时程曲线,消去时间参数后,获得了脆性材料PMMA的动态应力-应变曲线,并与Hopkinson压杆实验和准静态压缩实验的结果进行了对比,揭示了PMMA材料在小应变条件下的黏弹性本构响应特征。     

A polymeric split Hopkinson pressure bar instrumented with velocity gages

Polymeric split Hopkinson pressure bars are often used to test low-impedance materials at elevated strain rates. However, they tend to be viscoelastic, and a viscoelastic wave propagation model is required to analyze the data. This considerably complicates the analysis over the more common linear elastic split Hopkinson bar. In this research, a polymeric split Hopkinson bar is instrumented with electromagnetic velocity gages. The gages are placed at the interfaces between the bars and the specimen. By using this arrangement, viscoelastic effects in the bars are negligible and the need for a viscoelastic correction is eliminated. The method is applied by testing low-density foams.     

水泥砂浆的一个热粘弹性率型损伤本构模型

利用SHPB实验系统及自行研制的混凝土类材料快速高温加热设备,对水泥砂浆试件进行了不同 温度(20~600℃)和3种冲击速度下的实验,得到了不同温度和冲击速度下水泥砂浆试件的应力应变关系曲 线。基于ZWT粘弹性本构模型,并且考虑高温下水泥砂浆损伤演化规律都服从Weibull分布,提出了一个水 泥砂浆的热粘弹性率型损伤本构模型。通过数据拟合,获得了本构模型的相关参数,结果表明:理论预测和实 验结果吻合良好。     

Dynamic characterization of compliant materials using an all-polymeric split Hopkinson bar

The split Hopkinson bar is a reliable experimental technique for measuring high strain rate properties of high-strength materials. Attempts to apply the split Hopkinson bar in measurement on more compliant materials, such as plastics, rubbers and foams, suffer from limitations on the maximum achievable strain and from high noise-to-signal ratios. The present work introduces and all-polymeric split Hopkinson bar (APSHB) experiment, which overcomes these limitations. The proposed method uses polymeric pressure bars to achieve a closer impedance match between the pressure bars and the specimen materials, thus providing both a low noise-to-signal ratio data and a longer input pulse for higher maximum strain. The APSHB requires very careful data reduction procedures because of the viscoelastic behavior of the incident and transmitter pressure bars. High-quality stress-strain data for a variety of compliant materials, such as polycarbonate, polyurethane foam and styrofoam, are presented.     

高导无氧铜杆高应变率拉伸下的颈缩与断裂

采用Hopkinson拉伸实验装置和一种高速拉伸断裂实验新装置,对高导无氧铜(OFHC)杆件进行了一系列高应变率拉伸断裂试验.实验结果表明,局部化的断裂应变随拉伸速度增大并不明显增大,其断裂位置有随机性.存在一种临界拉伸速度,当冲击拉伸速度大于此值时,断裂即发生在冲击拉伸端附近,杆的其它部分几乎无应变.采用典型的Johnson-Cook本构关系,使用LS-DYNA程序进行一系列数值模拟,提出颈缩处直径收缩率达极值的颈缩失效判据,由此计算所得的局部化颈缩应变及断裂位置与试验回收结果有一定差别.     

大直径SHTB实验装置数值模拟及混凝土细观骨料模型动态直拉研究

对混凝土材料在高应变率下的动态拉伸实验多以劈裂和层裂的形式进行,然而它们作为间接研究混凝土动态拉伸性能的实验技术具有一定的局限性,亟需使用大直径分离式Hopkinson拉杆（split Hopkinson tensile bar,SHTB）设备对混凝土进行动态直拉实验。因此,运用数值模拟方法对一种新型的霍普金森拉杆的入射波进行了研究,并对设备的局部构件进行改进,使其不仅具有对混凝土试件的胶粘连接方式,也可通过螺纹连接配套夹具以同时兼顾挂接等其他连接方式。针对改进后的SHTB装置,建立了圆环状三维混凝土细观骨料模型。通过数值模拟与实验结果的对比,验证了采用空心圆管式SHTB装置的有效性,并为混凝土细观骨料模型的动态拉伸模拟提供了思路。     

应变率及节理倾角对岩石模拟材料动力特性的影响

采用相似材料模拟实验方法并借助SHPB(split Hopkinson pressure bar)实验系统,探究应变率及节理倾角对节理岩石动态力学性状的影响,包括应力应变曲线特征、破坏模式、能量传递及耗散规律。该实验结果表明:应变率升高,动态弹性模量增大,试件破碎块度变小,完整试件裂纹缺陷沿着平行于压应力方向扩展;节理角度越大,峰值强度越低,但当应变率升高到一定程度,节理角度对岩石破坏形态的影响不再明显;不同试件的入射能、反射能、透射能和耗散能均随应变率升高呈非线性增加,含倾斜角度节理试件的能量耗散率随应变率的变化幅度明显大于完整试件。     

钢纤维增强砂浆的轴拉损伤力学模型

基于Li Fa Ming的平行棒模型,对短钢纤维增强砂浆的平板试件,在直接拉伸条件下的破坏行为进行了分析,假设试件由N根相互平行的复合棒组成,每根复合棒又由一根纤维棒和S根砂浆棒组成,考虑纤维在基体中分布的方向因子和长度因子.砂浆的损伤可按连续损伤力学进行处理,将Loland模型和Mazars模型加以改进来描述.依据多根纤维的拉拨模型,假定纤维与基体间界面的损伤由纤维脱粘长度与纤维插入长度的比值来描述,复合材料的损伤包括基体的损伤和纤维的损伤,借助已有的试验数据和文献资料来确定本构模型中的各种参数,成功建立了短钢纤维增强砂浆直接拉伸应力一应变全曲线模型.所建模型与试件在直接拉伸试验下的应力-应变全曲线进行了对比,结果较为吻合.