不同加载边界下混凝土巴西劈裂过程及强度的DIC实验分析

平板、垫条、圆弧压模及平台试样等不同加载方式下,脆性材料巴西劈裂实验结果的差异一直是人们所讨论的问题.本文设计了混凝土平板直接加载与采用垫条加载实验,采用理论、高速相机与数字图像相关法(digital image correlation, DIC)相结合的方法,对试样表面应变场演化、起裂位置及裂纹扩展过程进行分析,探讨了不同的加载边界对试样应变集中演化及劈裂拉伸强度结果的影响.结果显示:(1)混凝土拉伸非线性特性导致的应变集中演化对不同加载条件非常敏感,平板加载时应变集中较早在加载端起始并向中心演化,即使满足巴西实验"中心起裂"条件,其强度仍低于垫条加载情况,两者差别达17.9%;(2)如果软垫条加载接触角合理设计,与平板直接加载相比,其应力场更稳定,有利于保证圆盘试样的应变集中及断裂均从中心起始,更好满足巴西劈裂实验条件;(3)仅校验巴西实验"中心起裂"有效性条件是不充分的,设计时必须谨慎考虑.研究结果对脆性材料巴西劈裂实验设计、测试分析具有重要参考意义.     

高应变率下铁锰铸造合金正向和反向应变率效应的研究

对两种铁锰铸造合金在准静态和冲击动态下进行了宏观与微观相结合的试验研究。实验结果表明 ,在准静态下 ,铁锰铝硅合金的强度高于铁锰铝合金 ,但在高应变率动态加载下 ,铁锰铝合金的强度反而高于铁锰铝硅合金。铁锰铝合金表现出很强的应变率强化效应 (正向应变率效应 ) ,而铁锰铝硅合金表现出应变率无关或应变率弱化效应 (反向应变率效应 )。随着应变率的进一步提高 ,两者又都存在一定程度的应变率弱化倾向。根据这一现象 ,着重对高应变率下的绝热温升所致热软化、内部损伤的率相关演化、以及应力诱变马氏体相变等方面进行了探讨。     

铸镁合金ZM_5-T_4本构特性的宏观与微观研究

本文运用宏观和微观研究相结合的方法,对国产航空铸镁合金ZM5-T4在应变率为10~(-6)-10~3/s范围作了轴向准静态和冲击压缩试验研究。结果表明:在室温下该材料的应变率敏感性与铸态组织缺陷所引起的试验数据分散性相比是可忽略的。同时还观察到随塑性变形所发展的微裂纹有随应变率增高而增多的倾向。这种与微裂纹演化发展相关的“应变率弱化”效应有可能是抵消位错运动的应变率强化效应而导致综合应变率敏感性降低的主要原因。     

聊聊动态强度和损伤演化

材料强度在传统上常理解为材料在外载荷下抵抗流动/变形和破断的能力。由流变阶段到貌似突发的破断,其实源于一个隐含的应变率/时间相关的损伤演化过程。动态损伤演化研究的难点在于损伤与流变总是耦合在一起发展的。研究发现,热激活损伤演化模型可成功描述材料宏观损伤的动态演化。在此基础上,从实测的含损伤演化的表观应力应变曲线,可将两者解耦分开,并可确定各自相关的材料参数。这一思路可推广到中医脉诊的客观化研究,通过脉搏波信息定量反演脉搏波系统的正常及病态本构关系,可诊断生命体偏离正常状态的程度(病情),这可视为一种广义的损伤演化和强度问题。上述思路还可推广到地震预报研究,即“对地球把脉”。与加卸载响应比理论相结合,通过相邻3处的地震波信息来反演地球相关板块含损伤演化的非线性载荷-响应曲线,再区分出损伤演化程度,将有利于改进地震预报,这可视为另一种广义的损伤演化和强度问题。     

冲击载荷下薄壁组合矩形梁响应特性研究

在落锤冲击下对薄壁组合矩形梁进行了实验及有限元分析,对薄壁组合矩形梁及薄壁单层矩形梁在落锤冲击下的力-位移、能量吸收特性进行了比较分析,并对薄壁组合矩形梁的变形屈曲特征、过程及不同冲击速度下的吸能情况进行了分析.结果表明：在相同横截面积及质量情况下,薄壁组合矩形梁较薄壁单层矩形梁具有更好的刚度及抗冲击能量吸收能力.     

压缩载荷下 PZT铁电陶瓷的非线性变形

随现代压电器件发展,铁电陶瓷在较大外力场作用下的非线性电/位移响应受到人们广泛的关注．本文对软性PZT5和硬性PZT4铁电陶瓷材料在压缩载荷下的非线性特性开展了实验研究和分析,测试了PZT5和PZT4铁电陶瓷材料在一维压缩载荷作用下的应力-应变曲线和电位移曲线,讨论了压缩载荷作用下的900电畴偏转特性及畴变应变对非线性变形部分的贡献．     

混凝土一维应力层裂实验的全场DIC分析

基于74mm直径分离式Hopkinson杆(SHPB)实验平台进行了混凝土杆的一维应力层裂实验.采用超高速相机(采样频率:2 $\mu$s/frame)结合数字图像相关法(DIC),记录混凝土试件中的动态位移场实时变化情况,探讨了混凝土在拉伸断裂过程中的表面位移场及速度场演化规律.针对实验中出现的多重层裂现象,基于一维应力波传播理论,指出各个位置在发生层裂时,其最大拉应力均由透射压缩波与反射拉伸波叠加而成,各处层裂发生时均处于一维应力状态.并提出了根据层裂位置左右两点速度趋势变化判断层裂发生时刻的判据.该判据可以给出所有层裂的起裂时间,结合DIC分析直接给出了混凝土多重层裂应变.结果显示混凝土的拉伸强度具有明显的应变率效应,在30 s$^{-1}$的应变率下,其拉伸强度的动态增强因子(DIF)可以达到5.与传统的波叠加法和自由面速度回跳法相比,DIC全场分析法不受加载波形限制,可以精确给出每个层裂的位置和起裂时间,从而得到试件在高应变率加载下不同位置处的断裂应变、拉伸强度及相应应变率,提高了测量效率.      

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.     

40CrNiMoA钢的动态剪切断裂行为研究

采用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ单压杆技术对４０ＣｒＮｉＭｏＡ钢单边平行双裂缝试样进行高速剪切加载,得到了在不同动态高加载率时的动态断裂起始韧性。实验表明,在实验的加载率范围内,沿原裂纹方向扩展的动态剪切型断裂存在两种不同的断裂模式,分别称为常规的韧性剪切断裂模式和绝热剪切型断裂模式。前者的断裂韧性随加载率的提高而增大,而后者的断裂韧性则随加载率的提高而减小。根据对这两种断裂行为及其相互转变的实验结果的分析探讨,认为存在一个临界应力强度因子率Ｋｃｄ,它表征两种断裂模式发生转变的条件。     

内部爆炸作用下20钢柱壳的变形及相变

研究冲击波作用下金属微观组织变化对于理解柱壳结构在高应变率下的变形及破坏极为重要。实验通过对20钢金属柱壳在内部爆炸载荷作用下的爆炸回收碎片截面进行微观分析,探讨冲击波作用下材料的组织演化、相变特征,同时使用有限元方法对柱壳膨胀断裂过程中的热力学特征进行分析。研究发现:20钢柱壳近内表面满足α→ε相变热力学条件的有限深度区域内,α晶粒内可见明显的平行滑移线分布特征;电子背散射衍射揭示了平行滑移线区域内组织碎化,且存在{112}<111>和{332}<113>两种孪晶,同时平行滑移线的碎化组织区域中存在密排六方晶格(HCP)的ε相结构,而试样原始组织及爆炸后除试样壁厚内部(0～3.0 mm)区域外均未见ε相结构残留。分析认为:冲击过程中发生了α→ε相变;相变引发的材料性能改变将可能影响断裂破坏过程;考虑冲击波作用下金属材料动态相变对结构变形与破坏的影响,对这类柱壳变形及破坏的精密物理模拟具有重要意义,有必要开展进一步研究。