有侧限矩形钢管在爆炸荷载作用下大变形分析

使用抗爆吸能器材能有效提高国防工程抗力,钢管在爆炸荷载作用下的大变形过程对这类器材研究具有重要意义.文章根据矩形钢管受冲击屈曲变形模态,分析应变强化和应变率效应对变形过程的影响,在此基础上建立模态解控制方程.实验表明,应变率效应是钢管动力大变形行为的首要影响因素,模态解结果与实验现象一致.     

排式矩形薄壁钢管横向冲击全屈曲模态解

研究钢管在横向冲击载荷下的屈曲大变形行为对抗爆及抗冲击吸能装置设计具有重要意义。根据实验结果,对钢管屈曲过程进行了简要分析,分阶段设定了钢管动力屈曲变形模态,并据此建立相应的位移、速度场,基于虚速度原理推导出了模态解控制方程,将问题转化为单一变量方程,便于下一步求解。结果表明,模态解方法是分析结构动态响应的有效近似方法,应变率效应是不可忽略的因素。     

应变率对泡沫铝压缩性能的影响

泡沫铝作为抗冲击及减震材料,很多场合都要经受冲压变形.目前,关于泡沫铝在压缩过程中表现出的应变率效应说法不一.概述了应变率对泡沫铝压缩性能的影响,结果表明,由于泡孔的变形特性使泡沫铝具有明显的应变率效应,泡孔在变形过程中的局部化、微观惯性和致密化是其对应变率敏感的根本原因.在高应变率下,滞留气体对闭孔泡沫铝的压缩有一定影响,开孔泡沫铝对应变率的敏感度还未有统一结论.     

真空橡胶的动静态力学性能及本构关系的研究

针对真空橡胶的特性展开了MTS实验和SHPB实验,通过实验获得了材料的基本力学参数和应力-应变曲线,并对材料的变形行为、应变率相关效应和破坏特性作了必要的分析,在此基础上给出了材料的本构关系。结果表明,真空橡胶材料在准静态加载下,应力3MPa时,应变率效应不明显;在冲击载荷作用下,随着加载应变率的提高,应变率效应比较明显。     

多功能布的动静态力学性能及本构关系的研究

针对多功能布的物理特性展开了MTS实验和SHPB实验,获得了材料的基本力学参数和应力-应变曲线,并对材料的变形行为、应变率相关效应和破坏特性作了分析,在此基础上给出了材料的动静态本构关系。结果表明,多功能布材料在准静态加载下和冲击载荷作用下,随着应变率的提高,应力-应变曲线斜率增加,应变率效应比较明显。     

SHTB的拉伸冲击波谱加载方法研究EI北大核心CSCD

为了理解动态变形和塑性流动过程中,加载历史和应变率变化对材料性能的影响,基于直接拉伸式Hopkinson杆原理,使用不同几何形状的反射杆代替凸缘法兰,在加载杆中连续产生多个不同幅值的加载冲击波,使材料在动态变形的过程中应变率阶跃变化。结果表明:(1)该方法可以将加载波的脉宽延长3倍以上,有利于进行低应变率、大变形的材料试验;(2)加载应力波的幅值阶梯变化,使试样在加载过程中应变率发生跳跃变化;(3)通过控制反射杆的长度可以有效控制加载脉冲的间隔,将材料的应变率效应和温度效应解耦,用于揭示不同脉冲幅值作用下试样变形损伤机制。试验证明,基于SHTB原理的拉伸波谱的加载方法可以快速、精准、稳定地实现对试样的连续多次动态加载。     

三维四向编织复合材料动态压缩性能实验研究

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)研究了三维四向编织碳纤维环氧树脂复合材料在动态压缩载荷作用下的力学性能。在横向对复合材料进行了动态压缩实验,得到了应变率从900/s―1500/s下的应力-应变曲线,并且与准静态压缩下的结果进行了对比。分析比较了应变率对三维编织复合材料横向压缩强度和模量的影响。实验中根据SHPB理论假设,采用波形整形技术,使得试件在加载过程中处于应力平衡和均匀变形状态。实验结果表明:压缩强度和模量具有一定的应变率强化效应;与准静态结果相比,在高应变率下的复合材料的强度和模量有明显的增大,并表现出明显的脆性。还分析了应变率对复合材料破坏模式的影响。     

PC/ABS在高应变率下的压缩大变形

目的对PC/ABS在高应变率下的压缩大变形行为进行实验研究与模拟。方法在应变率为1600~5000 s~(-1),温度为293~353 K的范围内,选用霍普金森压杆获取其在高应变率、高温下的大变形行为;选用DSGZ本构模型,模拟PC/ABS在高应变率下的大变形。结果 PC/ABS大变形行为强烈依赖于应变率和温度,屈服应力随应变率增加或温度降低而升高,大变形行为包括弹性、屈服、应变软化和应变硬化。结论DSGZ本构可准确模拟PC/ABS在高应变率、高温下的大变形行为。     

Mg-3.04Li-0.77Sc合金的高应变率变形局部化行为

利用Hopkinson压杆对固溶及固溶+时效处理状态的Mg-3.04Li-0.77Sc合金进行高应变率冲击压缩实验,研究了固溶和时效处理后该合金的高应变率变形行为。结果表明,随着应变率提高,固溶及固溶+时效态Mg 3.04Li-0.77Sc合金的动态变形表现为应变率弱化效应。固溶处理可增大合金的最大应变,而时效处理可显著提高该合金的动态屈服强度。组织分析表明,在高应变率冲击载荷下,固溶及固溶+时效态Mg-3.04Li-0.77Sc合金产生了明显的剪切变形局部化现象。热软化及其促使的变形局部化和微裂纹沿变形带产生并扩展是该合金动态变形表现为应变率弱化效应的主要原因。     

纯钒的动态压缩力学性能实验研究

为研究纯钒在常温下的动态压缩力学性能,采用霍普金森压杆(SHPB)对其进行应变率效应实验并采用应变冻结法对其进行应变累积实验,给出纯钒在常温下的动态压缩应力应变曲线,研究应变历史对材料性能的影响,并与电弧熔炼钒合金进行比较,结果表明:在应变率为4 430 s-1时,纯钒的流变应力为564 MPa,比应变率810 s-1时的437 MPa提高29%,纯钒具有明显的应变率效应;应变历史虽然对纯钒有影响,但其影响并不强烈;电弧熔炼钒合金的强度远高于纯钒。     

高钢级管线钢应变时效行为分析

应变时效现象会造成管线钢屈服强度和屈强比升高,应力一应变曲线出现明显屈服平台。通过对管线钢及钢管制造和使用过程的分析,指出应变时效行为对钢管生产过程质量控制、现场环焊缝对接以及管线服役性能的稳定性都有不良影响。通过减小钢管管体试样制备温度影响、严格控制防腐层制备工艺加热条件、降低管线钢中的C、N含量以及采用双相显微组织并在终轧时加速冷却后立即进行热处理等方法,可以有效降低应变时效效应。最后,对管线钢的应变时效行为的定量表征提出了建议。     

应变率对硫化橡胶压缩力学性能的影响

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)和材料实验机MTS810对硫化橡胶进行动态和准静态单轴压缩实验,获得硫化橡胶的应力-应变响应曲线,研究了应变率对其压缩力学性能的影响。实验结果表明,硫化橡胶在低应变率时的应变率效应不明显,然而在较高应变率时,应变率对其动态应力-应变关系有明显的影响,弹性模量、屈服应力以及流动应力都随应变率的增大而增大。采用基于应变能函数理论的橡胶本构模型来描述硫化橡胶压缩荷载下的力学行为。数值模拟了硫化橡胶的应力-应变历程,并与实验数据进行比较,结果显示两者吻合良好。     

超高分子量聚乙烯纤维束低速拉伸下的应变率效应及其统计损伤本构关系

基于轴向拉伸实验研究超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维束低速下（包含准静态）应变率效应对其力学性能及破坏模式的影响，阐述了其弹-黏塑性特性和分子链断裂在纤维束变形过程中的贡献。在10-5～3.3×10-2s-1应变率范围内，对UHMWPE纤维束进行5种不同应变率工况的拉伸实验，得到了各工况下的力学性能参数及应力-应变曲线。结果表明，UHMWPE纤维束的拉伸强度和失效应变与应变率之间分别存在指数增长和指数衰减关系，随着应变率的提升，二者的应变率效应逐渐削弱。室温下，UHMWPE纤维束具有较为复杂的力学行为，呈现2种不同的损伤特性，分别为黏弹性主导的宏观整体性脆性断裂和黏塑性主导极具韧性且包含蠕变的塑性变形。基于实验结果并结合现有文献结论，推断UHMPWE纤维束发生脆-韧转变的临界应变率在10-5量级。最后，根据实验数据拟合了计及应变率且包含修正项的纤维束低速统计损伤本构方程，通过与实测值对比，验证了该方程的准确性。     

模态应变能方法精确性和适用性研究

介绍了非比例阻尼体系动力分析的模态应变能方法和状态方程法,在频域内和时域内分析比较了具有Maxwell阻尼的多自由度模型响应的精确解和近似解,并据此分析了模态应变能方法的精确性和适用性,数值算例结果表明:在一定条件下模态应变能方法具有较高的精确性,同时在工程应用方面该方法也具有较好的适用性。     

混凝土/花岗岩界面Ⅰ-Ⅱ复合型动态断裂试验研究

为研究混凝土/岩石界面在复合型应力条件下的动态断裂性能,考虑四种应变率(10-5~10-2 s-1)及三种模态(21.8°,41.7°和60.3°)工况,对混凝土/花岗岩复合试件进行了四点剪切试验,获得了荷载与裂缝张开位移及裂缝剪切位移的关系曲线;结合界面力学理论和结构动力分析得到了界面Ⅰ型和Ⅱ型动态应力强度因子,据此得到并分析了断裂韧度、应变能释放率的率相关性及模态比相关性。结果表明:在所研究的应变率和模态角范围内,同一时刻的裂缝张开位移均大于裂缝剪切位移;Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧度均随应变率的提高而增加,Ⅰ型断裂韧度随模态角的增大而减小,Ⅱ型断裂韧度随模态角的增大而增加;应变能释放率随应变率和模态角的增加均呈现出增长趋势。     

膨胀剂和钢管侧限对混凝土徐变应变的影响

为了研究不同膨胀剂质量分数和钢管侧限对混凝土徐变应变的影响,共进行了12组有、无钢管侧限的混凝土徐变试验。结果表明:加载龄期到480天的试验试件中,有钢管侧限的混凝土徐变应变约是无钢管侧限徐变应变的0.175~0.181倍,钢管侧限大大降低了混凝土的徐变应变。同时进行了三种不同质量分数膨胀剂(质量分数分别为4%、8%和12%)的混凝土徐变试验。结果表明:无论有、无钢管侧限的混凝土结构,膨胀剂质量分数对混凝土徐变应变的影响关系为:质量分数4%时,结构徐变应变均最大;质量分数为8%时,结构徐变应变次之;质量分数为12%时,结构徐变应变最小。通过钢管侧限对混凝土的套箍效应计算分析表明,在混凝土结构加载应力相同情况下,有钢管侧限的混凝土结构应力比小于无侧限的混凝土结构应力比;钢管侧限对混凝土的侧向约束增加,限制了混凝土纵向变形;随着应力比的减小,结构徐变变形减小。同时应用扫描电镜二次电子成像分析膨胀剂的作用机制得出:水泥浆中膨胀剂水化产生粗棒状、互相交叉的三硫型硫铝酸钙(AFt)结晶体,填充在原来被溶液占据的小孔里,使水泥石更密实。     

泡沫镍力学性能的实验研究

本研究在室温下控制位移,先以5mm/min的位移速度对泡沫镍进行了单轴拉伸、压缩实验,然后在不同应变率情况下进行了一系列单轴拉伸实验,得到了相应的应力-应变曲线,讨论了材料的应变率相关性.结果表明在普通拉伸试验范围内(准静态),改变变形速度会影响应力-应变曲线,屈服应力、强度极限随变形速度增大而下降;单轴拉伸时,应力应变关系明显分为线弹性变形、塑性变形、线性硬化和破坏4个阶段;单轴压缩时,具备其他泡沫材料受压典型应力-应变曲线的3阶段特征,即明显的弹性变形段、屈服平台段和紧实段.     

中低应变率下闭孔泡沫铝动态力学性能研究

为探索闭孔泡沫铝的动态力学性能与吸能特性,基于万能材料试验机和高速液压伺服材料试验机在常温下分别对闭孔泡沫铝在准静态和中应变率下(0.001~100s^-1)的动态力学性能进行了测试,分析了不同应变率、不同相对密度和不同泡沫铝基体特性下闭孔泡沫铝的应力应变曲线特征和吸能特性变化。研究结果表明:中低应变率下的纯铝基体泡沫铝并不具备应变率效应,高脆性、相对密度较小的泡沫铝具备更好的吸能特性,塑性和脆性基体泡沫铝变形带分别呈现“V”形和“X”形,脆性基体泡沫铝同样不具备应变率效应。     

数值模拟中混凝土类材料应变率效应曲线的惯性效应修正

数值模拟是研究混凝土类材料在动载下响应的有效方法,准确输入材料真实的应变率效应曲线对预测结构在动载下的响应有重要作用。收集了1990年以来针对混凝土类材料的动态抗压实验数据,并将惯性效应对材料动态强度的影响进行剥离,得到真实的材料应变率效应引起的抗压动态强度放大因子（DIF_ε）与应变率对数的关系曲线。分析数据发现:实验得到的抗压动态强度放大因子（DIF_s）和惯性效应引起的抗压动态强度放大因子（DIF_i）都随试件尺寸的增大而增大;随着材料准静态强度增大,混凝土类材料DIF_i随应变率增长的增长幅度减小。对比拟合曲线与其他曲线可知,在高应变率下,新的应变率效应拟合曲线比已有半经验公式能更好地反映实验数据的DIF_ε;模拟时分别输入新的应变率效应曲线和CEB推荐公式,将输出结果与DIF_s对比,验证了新的应变率效应曲线的优越性。     

中低应变率下砂岩动力特性试验研究

为研究岩石在中低速冲击下的动力特性,利用MTS和落锤冲击试验系统进行了红砂岩准静态和动态单轴压缩试验,获得了10-2-101.7 s-1应变率范围砂岩全应力-应变曲线。结果表明,中低应变率加载条件下,砂岩经历典型压密、弹性变形、非稳定裂纹发展至脆性破裂后阶段。随着加载应变率的提高,砂岩峰值应力及其对应应变、残余应变均逐步增加,破坏模式则由X状共轭剪切破坏转变为劈裂破坏;动态强度增长遵循热活化和宏观黏性机制联合作用规律;中低应变率下岩石的吸收总能量和弹性应变能随变形演化规律基本一致,且弹性应变能和较耗散应变能的应变率效应更为显著。