用高速阴影技术研究K9玻璃中的失效波

用高速阴影摄影技术研究了爆轰加载下K9玻璃样品中波的传播和压缩区内损伤破坏的物理图象和规律。实验中观测到冲击波阵面后有一个移动速度为 2 .1～ 2 .2mm/ s的黑色阴影区边界 ,即失效波 (Fail urewave) ;实验发现只有当冲击载荷接近材料的HEL时 ,在冲击波和失效波之间的区域才有少量的微裂纹成核和长大 ,而在冲击载荷较低时却没有观察到 ;同时实验中观测到失效波萌生于被撞击面 ,并在两块玻璃的交界面上观测到失效波的再生。这些结果表明失效波的产生基本与冲击相变无关 ,主要与玻璃样品表面的初始损伤有关 ,换言之 ,失效波是玻璃样品表面微裂纹在冲击波作用下失稳扩展造成的。     

冲击压缩下玻璃等脆性材料中的失效波研究进展

较系统地回顾了近年来有关失效波的研究工作，简单介绍了研究方法和实验手段，评述了研究现状和发展趋势，最后总结了尚存的问题和作者的一些看法。     

玻璃样品对表面对失效波萌生的影响

实验首次发现经过酸（5％HCl)处理的玻璃样品表面以及飞片表面粗糙度的变化均对失效液（failure wave)形成的载荷阈值有明显影响。这说明失效波的形成机制与玻璃样品表面固有微裂纹。碰撞瞬间由于样品表面与其内部力学性质差异导致的微裂纹形核、长大等因素有直接关系。从而对进一步研究失效波的萌生机制和建立相关理论模型提供重要的支持。     

压-剪复合应力波作用下材料动态断裂韧性研究

提出亚微秒单脉冲应力波载荷作用下Ⅱ型裂纹的平板冲击实验技术 .加载率为dK dt～ 10 8MPa·m1 2 ·s-1.实验中由锰铜应力片和弹性波理论分别测定和计算了压应力 ;通过微观分析确定了动态裂纹的平均扩展长度 ;引进等效应力强度因子 ,用动态断裂理论确定了 6 0 #钢的动态断裂韧性KⅠd和KⅡd ;建立了亚微秒冲击载荷作用下确定材料动态断裂韧性的方法     

玻璃样品表面对失效波萌生的影响

实验首次发现经过酸(5%HCl)处理的玻璃样品表面以及飞片表面粗糙度的变化均对失效波(failure wave)形成的载荷阈值有明显影响.这说明失效波的形成机制与玻璃样品表面固有微裂纹、碰撞瞬间由于样品表面与其内部力学性质差异导致的微裂纹形核、长大等因素有直接关系,从而对进一步研究失效波的萌生机制和建立相关理论模型提供重要的支持.     

压剪炮的激光测速系统的研究

压剪炮试验是获取材料超高应变率下本构关系的最常用手段,其中普遍采用的测试方法是利用激光干涉技术同时测量靶板背面一点的纵向和横向速度。但传统的横向位移干涉仪抵抗靶板撞击过程中的运动而引起的光路偏移能力很有限,因而压剪试验成功率很低。本文讨论了撞击过程中靶板运动对横向位移干涉仪试验信号的影响,为提高横向位移干涉仪特别是非理想撞靶情况下的测量能力,对几种不同干涉光路进行详细分析。通过改进传统横向位移干涉光路,研制了一种新干涉光路,并通过试验证明:相对于传统光路,新光路更简单并更可靠。     

压剪复合平板冲击加载技术进展及其应用

自20世纪70年代末发明压剪炮以来, 压剪复合冲击加载实验技术和诊断技术有了长足进展, 应用也日益广泛.由于压剪联合加载波直接反映了材料的动态剪切特性, 对于认识材料的屈服、损伤演化、失效、相变、界面滑移等动态行为和机理, 构筑更全面的本构模型能够提供必要的附加信息.本文主要讨论气炮实验中压剪复合应力波的产生方式, 诊断技术, 以及在压剪复合塑性波和动高压本构模型、聚合物压剪冲击行为、剪切波跟踪法(SWT)和水泥基复合材料的损伤和失效、界面动摩擦行为、冲击相变、动态损伤和断裂等方面的研究与应用进展.      

冲击载荷下岩石压胀对其性质的影响

采用落锤动态加载岩石实验系统,通过调节落锤质量、下落距离及活塞杆垫板材料,记录岩石瞬间形成冲击压力脉冲,研究压胀对不同岩石性质影响的规律。实验结果表明,压胀产生后岩石的性质发生了改变,岩石的渗透率有不同程度的增加,且岩石越致密,渗透率增加倍数越大;岩石的弹性模量和弹性极限随岩石体积的增加而降低;压胀产生后纵波和横波在岩石中的传播速度减小,岩样内部产生了微裂纹或原有微裂纹延伸扩展造成孔隙度增加。     

压剪复合冲击下氧化铝陶瓷的剪切响应实验研究

通过对92.93%氧化铝陶瓷进行倾斜板碰撞实验,研究了多晶陶瓷材料在压剪复合冲击下的非弹性变形响应和剪切波传播规律。压剪复合冲击实验由57 mm开槽气体炮驱动铜飞片对陶瓷靶板加载,通过试件内埋植的电磁速度计来测量内部质点速度历程。将纵向粒子速度从感应电动势曲线中分离后得到横向粒子速度历程,发现在压剪复合冲击下由于材料剪切刚度的降低而引起的剪切波衰减。冲击软回收试件的扫描电子显微镜（SEM）观察表明,冲击载荷低于屈服强度时,多晶氧化铝陶瓷中存在沿晶界、气孔的微裂纹成核与扩展,在高于屈服强度的冲击加载下进一步产生了穿晶微裂纹,微裂纹系统导致了材料在卸载后的显著的体积膨胀。     

动静载作用下充填节理砂岩应力波传播特性研究

为研究节理角度和不同围压作用下的充填节理岩石的动态力学特性和应力波传播规律,利用改造后的动静组合加载霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)装置,对充填节理厚度为8 mm的砂岩试样进行冲击试验,研究不同围压等级(0、4、6和8 MPa)和不同节理倾角(0°、15°、30°、45°)下充填节理试样的动态力学特性和应力波传播的规律,采用应力波斜射理论并进行验证。试验结果表明：(1)完整砂岩的反射波幅值最小,以0 MPa为例,反射波幅值从0.194×10^-3增长到0.299×10^-3,与倾角成正相关,透射波幅值与倾角成负相关,且从0.169×10^-3减小到0.053×10^-3;以0°为例,反射波幅值与围压呈负相关,且从0.194×10^-3减小到0.074×10^-3,透射波幅值相反从0.169×10^-3增长到0.257×10^-3;(2)在冲击动载作用下,一定程度围压可以起到限制...     

Failure loads of spot weld specimens under impact opening and shear loading conditions

Failure loads of spot weld specimens are investigated under impact combined loading conditions. A set of test fixtures was designed and used to obtain failure loads of mild steel spot weld specimens under combined opening and shear loading conditions. Three different impact speeds were applied to examine the effects of separation speed on failure loads. Micrographs of the cross-sections of failed spot welds were obtained to understand the failure processes in mild steel specimens under different impact combined loads. The experimental results indicate that the failure mechanisms of spot welds are very similar for mild steel specimens at various impact speeds. These micrographs show that the sheet thickness can affect the failure mechanisms. For 1.0 mm specimens, the failure occurs near the base metal in a necking/shear failure mode. For 1.5 mm specimens, the failure occurs near the heat-affected zone in a shear failure mode. Based on the experimental results, the effects of the inertia force, the separation speed, and the loading angle on the failure loads of spot welds are investigated. Failure criteria are proposed to characterize the failure loads of spot welds under impact combined opening and shear loads for engineering applications. The failure load can be expressed as a function of the tensile strength of the base metal, the nugget size, the sheet thickness, the maximum separation speed, the loading angle, and empirical coefficients for a given welding schedule.     

坚硬岩石在强冲击荷载作用近区的性状研究

根据坚硬岩石的性质,利用力学模型分析了在冲击荷载作用下的岩石破坏过程,经由弹性状态向内摩擦状态的转变,最终达到流体力学状态。通过对内摩擦状态的分析,认为在强冲击荷载区域的变形近似为一维变形状态。冲击荷载作用在岩石中产生的应力波可以看作类似于冲击波的短波,在波阵面附近的某个狭窄区域内将发生参数的急剧变化。根据近区变形状态与质量守恒导出了侵彻近区的速度场表达式。根据短波的研究,给出了近区应力波的衰减规律。     

平板撞击下C30混凝土中冲击波的传播特性

采用1级气炮加载技术和锰铜应力计多点测试技术,开展了C30混凝土在平板撞击条件下的冲击压缩实验研究。基于锰铜应力计实测的应力波形,研究了混凝土中冲击波的传播特性,结果显示冲击波的应力峰值随传播距离呈现明显的衰减特性,衰减过程可分为2个阶段。在早期阶段,卸载波没有赶上前面传播的冲击波,冲击波应力峰值衰减较慢,主要是混凝土材料的本构粘性效应所引起的;而后期阶段应力峰值的快速衰减则归因于混凝土材料的本构粘性效应、后续的来自飞片自由面的反射波追赶卸载、边侧稀疏波卸载及波传播的几何弥散效应的共同作用;另外,冲击波在混凝土中传播的升时也随着传播距离逐渐增大,即由强间断波逐渐转化为弱间断波。     

PVC夹芯板在冲击载荷下的动态响应与失效模式

通过开展对泡沫金属子弹撞击加载聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)夹芯板的实验,结合三维数字图像相关性(three dimensional digital image correlation, DIC-3D)技术,研究固支夹芯板在撞击加载条件下的动态响应,获得夹芯板受撞击及响应的变形过程,并结合图像分别分析夹芯板整体及三层结构的变形和失效模式;研究子弹冲量与背板最终变形之间的关系和相似冲量下等面密度不同芯层密度的夹芯结构的抗撞击性能。结果表明:夹芯板的破坏和失效主要集中在泡沫金属子弹直接作用区域,背板挠度由中间向固定端逐渐减小,子弹冲量与背板变形近似成线性关系。在等质量的条件下,降低芯层密度、增加芯层厚度可以有效降低背板的变形,实验结果对聚合物夹芯结构的工程优化设计具有一定的参考意义。     

An analysis of the shear failure of rigid-linear hardening beams under impulsive loading

A theoretical rigid-plastic analysis for the dynamic shear failure of beams under impulsive loading is presented when using a travelling plastic shear hinge model which takes into account material strain hardening. The maximum dynamic shear strain and shear strain-rate can be predicted in addition to the permanent transverse deflections and other parameters. The conditions for the three modes of shear failure, i.e., excess deflection failure, excess shear strain failure and adiabatic shear failure are analyzed. The special case of an infinitesimally small plastic zone is discussed and compared with Nonaka's solution for a rigid, perfectly plastic material. The results can also be generalized to examine the dynamic response of fibre-reinforced beams.     

PROGRESSIVE FRAGMENT MODELING OF FAILURE WAVE IN CERAMICS UNDER PLANAR IMPACT LOADING

Polycrystalline ceramics have heterogeneous meso-structures which result in high singularity in stress distribution. Based on this, a progressive fragment model was proposed which describes the failure wave formation and propagation in shocked ceramics. The governing equation of the failure wave was characterized by inelastic bulk strain with material damage and fracture. And the inelastic bulk strain consists of dilatant strain from nucleation and expansion of microcracks and condensed strain from collapse of original pores. Numerical simulation of the free surface velocity was performed in good agreement with planar impact experiments on 92.93％ aluminas at China Academy of Engineering Physics. And the longitudinal, lateral and shear stress histories upon the arrival of the failure wave were predicted, which present the diminished shear strength and lost spall strength in the failed layer.     

Mechanism of shear attenuation near the interface under combined compression and shear impact loading

We investigate the compressional/shear coupling plastic wave propagation characteristics analytically for ideal elastic–plastic materials in both stress and particle velocity spaces, focusing on the shear wave attenuation near the interface occurring in pressure–shear plate impact experiments. The results show that the shear attenuation is strongly associated with the wave propagation characteristics of the coupling waves. In the stress space, as the shear stress increases, an adjustment of the stress components is observed and the final stress state along the wave path is a combined pure shear- and hydrostatic pressure-state. In the particle velocity space, the wave structures with different loading and maximal transverse particle velocity are obtained. The maximal transverse particle velocity varies with the longitudinal velocity and forms a boundary line. Once the loading transverse velocity exceeds this line, a transverse particle velocity discontinuity occurs at the impact interface. If the bonding strength is sufficiently high, there will be a shear band in the target in the extreme vicinity of the interface.     

爆炸荷载下钢筋混凝土梁的变形和破坏

利用爆炸压力模拟器进行钢筋混凝土简支梁爆炸冲击实验,详细介绍了实验设计,通过实验系统分析了钢筋混凝土(RC)梁变形破坏特征以及钢筋作用机理和对变形破坏的影响,并建立了RC梁的分离式有限元模型,利用LS-DYNA分析了实验过程,对计算结果与实验结果进行了比较,分析了误差产生的原因,得到了爆炸冲击荷载作用下RC梁的损伤破坏特征和机理,可为毁伤评估和结构抗爆设计提供参考。     

复合射孔压力加载下铜柱测压计测试实验和数值分析

进行基于铜柱测压和实测压力时间曲线的石油井射孔压裂实验,建立铜柱测压计的数学模型,并采用交互式计算方法得出其作用过程的解析解。分析结果表明,井下射孔压裂过程中,压力上升沿很陡,活塞在外部压力达到峰值时,速度很大,会继续压缩铜柱直到速度为零。活塞的运动可以分为加速和减速撞击2个过程。活塞的最大速度决定了铜柱测压计最终测试值,且与速度成正比。射孔脉冲压力加载过程中铜柱测压计的误差取决于压力上升时间、脉冲宽度、峰值压力等影响因素。火炮膛压加载下铜柱测压计误差较小。