基于平台圆环试样的无机玻璃动态拉伸性能研究

无机玻璃的拉伸强度往往远小于压缩强度,服役过程中玻璃大多会发生拉伸断裂.论文采用平台圆环(flattened circular ring, FCR)试样测试钠钙硅酸盐玻璃的拉伸性能.分别利用电子万能试验机和电磁分离式Hopkinson压杆(electromagnetic split Hopkinson pressure bar, ESHPB)开展准静态、动态单轴单向和单轴双向实验,加载过程中采用高速相机对试样的破坏过程进行观测.结果显示,该材料试样强度具有明显的正加载速率相关性.动态单轴双向加载可比单向加载更快实现应力平衡,但两种应力波加载方式下试样的动态拉伸强度大致相同.高速摄像与动态加载同步分析表明,这是因为试样的裂纹产生时刻与应力峰值时刻几乎同时产生.对三种形式的拉伸实验结果进行对比,发现拉伸强度受试样形状影响,这与试样断裂路径上的拉伸应力分布有关.     

基于Hopkinson压杆的M型试样动态拉伸实验方法研究

采用传统分离式Hopkinson压杆进行M型试样的动态拉伸实验,可避免试样与杆的连接问题,但该方法并未得到发展和验证。本文中,采用有限元数值分析和实验方法,对M型试样动态拉伸实验进行分析和改进。结果表明:（1）改进的封闭M型试样,可以增强试样整体刚度,有效减少试样畸变引起的附加弯矩对拉伸标段的影响,方便通过Hopkinson压杆加载实现一维拉伸变形;（2）采用试样刚度系数修正法,可消除M型试样整体结构的弹性变形对测试的影响,精确获得试样拉伸标段的塑性应变;（3）高加载率下,建议采用波形整器加载,可显著减少试样结构引起的载荷震荡现象、改善两端的应力平衡,获得准确的动态拉伸应力应变曲线,实现5 900 s?1甚至更高应变率下的动态拉伸实验。研究方法可为M型试样拉伸实验设计和应用提供参考。     

用Hopkinson压杆技术研究试样几何对动态起裂韧性的影响

为了考察试样几何对材料动态起裂韧性ＫＩｄ的影响，本文采用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆技术对不同厚度、不同裂纹长度的３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ三点弯曲试样进行了试验，并在用实验──数值法确定ＫＩｄ过程中首次尝试性地引入了三维有限元。试验结果表明：在小范围屈服情况下，试样几何确实对ＫＩｄ存在影响，而且ＫＩｄ的厚度效应对平面尺寸效应更为显著。     

SHPB帽形试样尺寸效应研究

利用ANSYS/LS-DYNA软件开展不同尺寸帽形试样的SHPB数值模拟,研究帽形试样的尺寸效应。结果表明,当帽形试样剪切变形区域宽度大于0.2 mm时,根据经典公式处理得到的应力值将随t的增大而显著增大, 严重偏离理论值,当t=1.0 mm时,计算得到的应力值甚至接近理论值的2倍。采用分体模型进行的进一步计算表明,数据处理结果中应力偏差主要来源于帽形试样中环状部位的膨胀变形。提出改进的数据处理方法,并采用圆柱样与几种不同尺寸帽形试样开展了验证实验,结果与计算结果基本一致。     

不同尺寸砂岩动态力学性质和应力平衡性的试验研究

采用大直径分离式霍普金森压杆系统获得的不同尺寸试样的实验冲击动态力学参数有差异,因此在直径100 mm压杆上进行了3种直径（50、75和100 mm）和5种长径比（0.4、0.5、0.6、0.8和1.0）的砂岩试样冲击试验,分析了不同尺寸试样应力-应变曲线和应变率曲线随尺寸的变化,提出了用于比较波形对齐重合度的波形叠加系数,并与应力平衡因子共同构建了动态应力平衡性研究体系,由此确定大直径霍普金森压杆试验的试样建议尺寸。同时,利用高速摄影机监测试样的动态破坏状况。结果表明:当长径比相同时,直径75与100 mm岩石试样的动态抗压强度测试值相近,直径50 mm试样具有更明显的长度效应;随着试样直径的增大,应变率曲线从单峰变为双峰;小尺寸试样更易发生轴向劈裂破坏,大尺寸试样受内部应力波叠加影响产生了较大的拉应力,易发生层裂拉伸和轴向劈裂的复合型破坏;对直径75 mm且长径比0.3~0.4的试样,波形对齐后重合度较高,在起始破坏前拥有充足的应力平衡时间,应变率加载效果较好。获得了砂岩试样冲击压缩试验的尺寸效应,可为大直径岩石试样的尺寸选择提供参考。     

基于变分方法的工字型悬臂梁尺寸优化

以变分方法为工具,研究了分布载荷下工字型悬臂梁的尺寸优化问题,给出了在强度和位移约束下梁缘条沿展向的宽度函数,并简要介绍了优化准则法和多岛遗传算法. 以平直机翼为工程实例,将之简化为一个工字型悬臂梁,分别采用该3 种方法进行优化设计. 结果表明变分法不仅效率高,而且给出了尺寸分布的函数,这对飞行器概念设计阶段的机翼结构设计具有较大的指导意义.     

动态拉伸试验中试样应变测试的有效性分析

为了评估将试样通过胶粘连接到加载杆的Hopkinson杆装置所获得试样应变的有效性,对四种强度刚度差异较大的纤维增强复合材料进行了动态拉伸试验。试验时,试样通过环氧胶和杆夹层粘接,试样的应变分别按照Hopkinson杆一维应力波理论计算和试样上应变计直接准确测量得到。结果证明：对小变形碳纤维复合材料,按一维应力波理论计算的应变与试样上直接所测应变值偏差超过100%;对较大变形的GFRP和KFRP层合板,两者偏差小于40%。说明采用Hopkinson杆一维应力波理论计算的试样应变不准确。为修正不准确性,一是通过大量数据分析建立按一维应力波理论计算值与直接测量应变之间的关系式,用此式可使此试验装置获得有效的试样应变;二是借助ABAQUS有限元模拟分析得出粘胶层以及试样过渡弧段的变形,用一维应力波理论计算的应变减去此变形,也可获得有效的试样应变。     

基于Hopkinson杆的材料高应变率拉伸实验技术

分离式霍普金森杆(Split Hopkinson Bar)是测试材料在高应变率加载下力学行为的一种有效的实验手段.本文基于霍普金森杆测试原理,设计和研制了气枪式变截面间接杆杆型高应变率拉伸实验装置.该装置具有完备的、高精度的水平和轴向基准,采用等高的固定支撑,保证了杆-杆型实验系统具有良好的共轴度;入射杆与撞击套筒之间设有导向管,避免了撞击套筒直接与入射杆接触而产生的相互干扰;在导向管内设有支撑圈,以减小入射杆与导向管直接接触而产生的摩擦,并消除入射杆的径向跳动;采用前置金属短杆来获得光滑、平稳且幅值和宽度可调的拉伸入射加载脉冲.对LY12CZ铝合金在两种应变率下初步的验证性实验表明,该高应变率拉伸实验装置的设计是合理的,实验获得的应力—应变结果是可靠、有效的.     

一种用于动态拉伸试验装置的新型试件装卡方式

针对杆杆型动态拉伸试验系统设计了一种新型的楔形卡口试件装卡方式.利用ANSYS/LS-DYNA软件,建立采用该新型试件装卡方式的直接式杆杆动态拉伸系统的三维有限元模型,并进行数值仿真试验.得到的波形与SHB(Split Hopkinson Bar)试验典型波形相符合,得到的动态应力应变曲线与输入材料模型曲线趋势是一致的.利用这种装卡方式对一种2024铝合金进行动态拉伸试验,得到的动态拉伸应力应变曲线与利用SHPB试验得到的动态压缩曲线基本一致,证明这种新型试件装卡方式是有效的.     

基于Hopkinson杆和人工神经网络的三轴冲击力传感器同步解耦标定方法

三分量冲击力载荷的同步激励与输入输出间的精准建模是三轴冲击力传感器标定所面临的主要挑战。为了实现对三轴冲击力传感器的有效标定,使其能够准确测量空间中的三维冲击力载荷。首先,基于Hopkinson杆与矢量分解原理建立了一种高幅值（10⁴ N量级）、窄脉宽（10⁻⁴ s量级）可计量三分量冲击力载荷的同步激励方法,实现了对三轴冲击力传感器的同步加载。然后,基于最小二乘原理与矩阵微分构建了三轴冲击力传感器的线性标定模型,并通过改变子弹结构与冲击气压揭示了线性解耦标定模型中传感器主灵敏度系数与轴间耦合灵敏度系数并非固定常数而均与冲击力载荷脉冲构型（幅值、脉宽）相关的冲击特性。最后,将能够反映载荷构型信息的传感器各轴输出电压脉冲的幅值与脉宽作为影响因素,并以神经元的形式添加到人工神经网络（artificial neural network, ANN）的输入层,建立了基于ANN的三轴冲击力传感器输出电压与输入载荷间的代理模型,实现了数据驱动的三轴冲击力传感器非线性解耦标定。结果表明,相对最小二乘模型,ANN标定精度更高,采用ANN进行三轴冲击力传感器标定具有可行性和有效性。

     

基于DIHPB技术的高应变率剪切测试方法

在测试材料动态力学性能时,直接撞击式霍布金森压杆（direct impact Hopkinson pressure bar,DIHPB）实验系统相对于分离式霍布金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）,往往能获得更高的应变率。本文中采用一种新型双剪切试样,在DIHPB系统下对603钢进行了动态剪切测试。获得了603钢在应变率1 500～33 000 s⁻¹的剪应力-剪应变曲线,并与SHPB系统下的测试结果进行了对比。结果表明,由两种测试方法获得的流动应力具有较好的一致性,但曲线的上升沿存在明显区别。采用数值模拟对DIHPB方法的准确性进行了验证,并对该实验方法的适用条件进行了分析。采用DIHPB方法,可以观察到603钢的流动应力存在明显的应变率效应,但在较高的加载速度下材料的失效应力随着加载速度的增加而呈降低趋势。

     

基于高速3D-DIC技术的砂岩动力特性粒径效应研究

利用分离式霍普金森压杆（SHPB）,对粗砂岩、中等粒径砂岩和细砂岩进行了应变率为69～83 s^–1的动态单轴抗压实验,研究了粒径尺寸效应对砂岩动力特性的影响。通过三维数字图像相关（3D-DIC）技术分析高速摄像图像,获得了砂岩的实时应变场,据此分析了动态荷载下3种粒径砂岩的动力变形特性和裂纹开展行为。结果表明,砂岩弹性应变储能可逆释放的临界应变率随着粒径的减小而升高,动态压缩强度随着粒径减小而增大,动态强度应变率敏感度则与强度规律相反。相较于静态条件下,中等粒径砂岩和细砂岩的动态弹性模量增长了2～3倍,粗砂岩的动态弹性模量增长达5倍以上。细砂岩的动态泊松比相较于静态提高了约25%,中等粒径砂岩的动态泊松比约为静态时的70%。动态裂纹首先出现于试件内部,然后传播至表面,呈现出应变局部化,动态荷载下岩石裂纹的孕育和扩展相比静态条件下均有所提前,其中细砂岩在动态荷载条件下的归一化裂纹起裂阈值仅为峰值强度的10%。微观分析表明,矿物粒径大小和黏土矿物含量分别在砂岩的动力力学性质和裂纹开展行为方面发挥主要作用。

     

遗传算法优化的神经网络在SINS/GPS中的应用

在不增加辅助系统的情况下,针对捷联惯性导航/全球定位组合导航系统(SINS/GPS)在GPS信号不可用时,其定位精度产生较大退化的问题,提出了遗传算法优化的径向基函数神经网络辅助组合导航系统定位的方法。当GPS信号可用时,采用遗传算法对径向基函数神经网络进行优化训练;当GPS信号不可用时,利用遗传算法优化后的径向基函数神经网络预测卡尔曼滤波器量测输入中的速度误差信息,使得卡尔曼滤波器能够继续工作并提供速度校正量。跑车实验表明,通过对速度进行误差补偿能够有效地修正位置误差,以GPS信号断开180 s的结果作分析,纯SINS模式的东向和北向位置误差分别为35.1 m和38.8 m,而本文所提方法的误差分别为10.5 m和7.2 m,其定位精度提高较为显著。     

A technique for rapid two-stage dynamic tensile loading of polymers

A method for rapid two-stage dynamic-dynamic tensile loading of polymers, based on a tensile Hopkinson bar apparatus, is established. In this technique, the initial incident wave and its reflection are used to load a specimen in quick succession. Consequently, the specimen is stressed, momentarily unloaded, then reloaded until fracture. By adopting appropriate assumptions, a procedure to obtain the associated stress-strain curves for such double-stage loading is formulated. These assumptions are examined experimentally and analytically to substantiate their validity. To verify the proposed approach, a relatively rate-insensitive material, LEXAN 141 polycarbonate, was subjected to two-stage dynamic tension. The stress-strain curves obtained via the procedure established were compared with results from static loading. Favorable correlation between the two indicates that the proposed technique can be applied to the study of load history effects on the dynamic behavior of polymeric materials.     

基于遗传算法的加速度计免转台标定方法

针对现有的加速度计标定方法依赖于昂贵的仪器设备,导致标定成本高,提出一种低成本、操作简单的加速度计免转台标定方法。该方法通过对原始数据进行预处理,将标定问题转化为优化问题,采用遗传算法进行最优化求解得到补偿参数。通过对比试验得到:两种方法的标定相对误差在0.5%(标度因素)、3%(零偏);两种方法标定后通过加计姿态角提取的水平角误差在0.2°左右。结果表明,加速度计通过该方法经过补偿后,能够得到与传统转台标定方法相同数量级的测量精度,该方法可以有效替代传统标定方法,简化标定步骤,降低标定成本,具有重要的理论及使用价值。     

基于遗传算法的飞机气动优化设计

建立了一种以实数编码技术为基础的遗传算法模型，并把它与通过工程估算的气动分析方法相结合，进行飞机气动形的单点和多点优化设计。 优化设计中，设计变量取机为机翼、机身和尾翼的外形及三者之间的相对位置，优化目标是使飞机在跨音速和超音速飞行状态下获得配平状态下最大的升阻比。设计结果表明该优化设计方法是十分有效的，可以用来具有正常布局形式的飞机进行气动外形的优化设计。     

一种基于电磁霍普金森杆的材料动态包辛格效应测试装置及方法

金属材料在复杂载荷条件下的动态力学行为研究一直备受关注,但受限于实验设备,金属材料的动态包辛格效应响应一直都难以获得。为了探究金属材料的包辛格效应与应变率效应之间的关系,本文中提出一种基于电磁霍普金森杆(electromagnetic split Hopkinson bar,ESHB) 的非同步加载实验技术,为测试金属材料在高应变率加载下的包辛格效应提供了一种有效的实验方法。本文中,首先介绍了非同步加载装置的主要特点,即可以用两列由脉冲发生器产生的应力波对受载试样进行连续的一次动态拉-压循环加载,且加载过程保证了应力波的一致性。分析了应力波对试样加载过程中的波传播历程,确保了加载过程的连续性。随后介绍了动态加载过程,数据处理方法和波形分离手段,并对动态加载过程进行应力平衡性分析,论证了实验装置的可靠性。最后采用该方法测试了5%预应变下6061铝合金动态压缩-动态拉伸的包辛格效应,并与准静态下的实验结果进行对比。实验结果表明,该材料单轴压缩没有明显的应变率效应,但其包辛格效应具有应变率依赖性,高应变率下材料的包辛格应力影响因子由0.07增大至0.17,具有显著的提升,这对传统意义上铝合金材料应变率不敏感的结论提出了挑战。

     

基于遗传算法的舰载IMU优化布局

惯性测量单元（IMU）用来为舰载武器系统提供准确的姿态并实时监测舰船甲板的变形，对其数目和位置进行优化具有重要的实用价值．提出了多IMU优化布局的原则，建立了舰载IMU优化布局的数学模型，采用遗传算法对IMU的布局进行了优化求解。仿真结果表明，舰载IMU的布局是影响甲板变形估计精度的一个重要因素，通过对IMU的布局进行优化，减少了舰载武器系统所需IMU的数量；利用优化布局后IMU的输出信息对全舰甲板变形进行估计，估计精度有很大提高。     

薄壁异形环截面管材料环向动态拉伸特性测试

针对薄壁异形环截面管状结构,结合有限元分析,提出了基于Hopkinson拉杆技术的环向材料动 态拉伸实验方法;设计了特殊的夹具,采用空心透射杆提高透射波幅值;并对1Cr18Ni9Ti材料薄壁异形环截 面管状结构进行不同应变率下的冲击拉伸实验。实验结果表明,该实验方法可适用于这种薄壁异形环截面管 状结构,该结构具有良好的塑性变形能力,断裂应变随应变率的提高明显降低,拉伸强度随应变率的提高明显 增大。