应用高速摄影机对泡沫铝在SHPB实验过程的变形跟踪与分析

SHPB技术虽然能方便地得出材料的动态应力应变关系,但却不能直观地揭示材料在经受冲击荷载时的变形特征,而这恰恰是泡沫金属力学性能研究的重要方面.为此,本文设计了一套SHPB-高速摄影机系统,借此系统对SHPB实验中的泡沫铝试件进行了实时的变形跟踪拍摄,然后应用图像处理软件对泡沫铝试件的动态变形进行分析并提取了位移信息,...     

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。

     

采用改进的SHPB方法对泡沫铝动态力学性能的研究

本文改进了传统的分离式霍布金森压杆(SHPB)技术，采用夹在透射杆中的PVDF压电计直接测量透射杆中的应力时程．同时，采用输入波形整形技术，通过调整加载波形，使试样加载过程中保证均匀变形及应力平衡．利用此改进了的SHPB技术对泡沫铝进行了高应变率下的动态压缩实验．实验结果表明：泡沫铝的动态应力应变曲线具有泡沫材料的应力应变曲线的“三阶段”特征(elastic region，collapse region and densification region)，并且应变率对其力学性能影响明显．     

不同应变率下泡沫铝的形变和力学性能

对低密度泡沫铝在不同变形率下的形变和力学性能进行了系统的试验研究。结果表明:（1）沿剪切方向骨架首先塌陷,即变形的局部化是低应变率下块体泡沫铝的主要变形特征;（2）在不同应变率下泡沫铝表现出体积应变基本上随工程应变呈线性变化,在低应变率下泊松比随轴向应变呈幂次关系增加,但在高应变率下泊松比随塑性应变增加,从一峰值降低并趋于稳定;（3）低应变率下泡沫铝材料塑性变形均匀,而高应变率下剪切变形较大;（4）泡沫铝材料的强度对应变率不很明显,但随塑性应变增加,它的率敏感性增加。     

大理岩动态拉伸强度及弹性模量的SHPB实验研究

提出了获取脆性材料动态拉伸强度及弹性模量的实验步骤及相关记录数据的分析方法。利用直径为100mm的分离式Hopkinson压杆径向冲击巴西圆盘和平台巴西圆盘试样,测试了大理岩在高应变率加载下的动态力学性能。应力波加载下动态劈裂拉伸圆盘在试样中心产生了约45/s的拉伸应变率。分析了实验的有效性并考虑了试样两个端面应力波波形差异的影响以提高实验结果的精度。结果表明准静态下的公式可适用于动态劈裂拉伸实验;大理岩的动态拉伸强度及弹性模量比静态时有明显的增加。     

大理岩动态劈裂拉伸的SHPB实验研究

利用直径100 mm的Hopkinson压杆和薄圆形铝片作为波形整形器,用不同弹速径向冲击平台巴西圆盘试样以研究大理岩的动态拉伸强度。分析了试样的应变率、破坏时间、破坏模式,以及破坏过程中的载荷-应变关系,得到了关于大理岩在高应变率下拉伸强度及弹性模量的一些结论。考虑了试样的尺寸大小及两个平台附近应力的时间不均匀性与空间不均匀性对实验结果的影响。同时,利用有限元法对平台巴西圆盘试样的动态应力分布进行了数值模拟,验证了动态劈裂拉伸实验的有效性。     

变形模式对多孔金属材料SHPB实验结果的影响

利用两种改进后的Hopkinson杆实验分别测得多孔金属材料冲击端和支撑端的应力.实验结果及高速摄影表明,随着撞击速度的增加,试件两端的应力均匀性变差,分别对应着泡沫材料的3种变形模式:准静态模式、过渡模式、冲击模式.实验得出在冲击模式下,冲击端与支撑端的应力与试件的厚度无关,但是与试件的密度有关.在多孔金属的高应变率实验中,变形模式对SHPB实验有很大的影响,轴向惯性(波动)效应会导致试件两端的应力不均匀,此时利用SHPB得出的实验结果将会是应变率效应和惯性效应的耦合,不能真实反映材料的动态力学性能(应变率效应).      

不同冲击速度下泡沫铝变形和应力的不均匀性

利用常规Hopkinson杆实验装置和改进的Hopkinson杆实验装置对泡沫铝试件进行冲击压缩实验,同时用高速摄影装置对实验过程进行全程跟踪拍摄。通过改变冲击速度,观测到了3种不同的变形模式。将得到的高速摄影图像用数字图像相关方法进行分析,讨论了3种模式下全场应变不同的发展过程,并依此讨论应力的不均匀性,为研究不同冲击速度下变形不均匀对泡沫铝动态力学行为的影响提供了新的方法。     

低阻抗多孔介质材料的SHPB实验技术

低阻抗多孔介质材料具有较低的密度和弹性波速，对其实施动态压缩实验具有一定的难度。本文在充分分析聚氨酯泡沫试件由于低阻抗所带来的各种影响因素后，提出了在ＳＨＰＢ装置上对低阻抗多孔介质材料进行动态测试时所应采取的半导体应变片技术及新的ＳＨＰＢ数据计算模式，初步解决了ＳＨＰＢ装置上对低阻抗多孔介质测试的难点。     

闭孔泡沫铝的高温局部压入力学响应

通过不同形状(平头和半球头)的压头在不同温度下对闭孔泡沫铝材料进行塑性压入实验,研究不同温度下闭孔泡沫铝的压入变形模式及载荷响应特性。并基于闭孔泡沫铝在高温下的准静态塑性压入载荷响应的实验结果,结合多种分析方法,(如量纲分析和有限元计算等),探索既考虑温度影响也包含压入深度影响的预测闭孔泡沫铝平头和半球头压入力学响应的经验公式。结果表明,本文得到的两种压头情况下的经验公式都能够较好地预测闭孔泡沫铝在不同温度下的压入力学响应。

     

Thickness Effect of Pulse Shaper on Dynamic Stress Equilibrium and Dynamic Deformation Behavior in the Polycarbonate Using SHPB Technique

0Introduction Thehighstrainratestress strainresponsesofpolymersandpolymericcompositematerialshave receivedincreasedscientificandindustrialattentioninrecentyears.Polymericmaterialsaresubjected todynamicloadingandhighstrainratedeformationinavarietyofimporta…     

冲击载荷下盐岩的力学性能和本构关系研究

利用直径75mm的大尺寸SHPB实验装置开展盐岩的动态压缩性能实验研究,得到了其动态应力应变曲线。分析表明,在冲击压缩载荷作用下,盐岩材料有明显的损伤软化现象和应变率效应。针对实验曲线,通过引入描述材料强度随应变率强化的应变率增强因子和随不可逆变形发展而弱化的损伤因子,提出了含损伤率的相关动态本构模型,拟合得到的本构方程形式比较简单,能够较好地反映盐岩动态实验加载过程的主要特征,具有一定的工程应用价值。     

用于测量材料高温动态力学性能的SHPB技术

讨论了高温下分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验的两种方案:单独加热试样并快速对杆与同时加热试样和杆再修正温度梯度的影响。前者避免了杆被加热但是操作复杂,后者简单稳定。为了分析后者温度梯度的影响设计了一个简化模型,采用数值计算进行修正,提出了精度适当的假设,并且进行了实验验证。测量了试件和杆一起加热时杆上的温度分布,证实计算采用的温度分布是合理的。据此得到的专用于材料高温动态力学性能测试的SHPB数据处理公式简单实用,便于推广使用。     

Dynamic and Quasi-Static Propagation of Compaction Waves in a Low-Density Epoxy Foam

We conducted dynamic and quasi-static compression experiments with low-density (ρ = 120 kg/m³) epoxy foam specimens. The specimens had a 10.0-mm-square cross-section and a length of 19.3 mm. Dynamic experiments were conducted with a modified split Hopkinson pressure bar (SHPB), and the quasi-static experiments were conducted with a hydraulic load frame device (MTS-810). In both cases, the specimens were loaded from one end at a constant velocity. Equally spaced grid lines were marked on the specimens to monitor the deformation history. Digital images taken at equally spaced time intervals gave the positions of each grid line. These images showed that a constant end-face velocity V produced a compaction wave front that traveled at a constant velocity C in both dynamic and quasi-static experiments. We described these results with a shockwave analysis that used a locking solid material model.     

PMMA材料的动态压缩力学特性及应变率相关本构模型研究

利用INSTRON万能试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB)对PMMA试件在较宽应变率范围内进行了单轴压缩实验,研究加载应变率对PMMA材料力学性能的影响.利用扫描电子显微镜对回收的试样进行了显微观察,重点分析不同加载应变率下PMMA的微观损伤破坏模式.结果表明:随着应变率的增大,PMMA的流动应力显著地增加,且冲击加载条件下,峰值应力的应变率敏感性明显高于准静态;在准静态加载条件下,PMMA试样呈现明显的延性破坏特征,在动态加载条件下则表现为脆性破坏.最后,对PMMA材料的ZWT粘弹性本构模型参数进行了拟合,拟合结果与实验结果吻合较好,表明该本构模型能够较好地描述较宽应变率范围内PMMA材料的应力应变关系.     

Determination of Early Flow Stress for Ductile Specimens at High Strain Rates by Using a SHPB

In a dynamic experiment to obtain the high-rate stress–strain response of a ductile specimen, it takes a finite amount of time for the strain rate in the specimen to increase from zero to a desired level. The strain in the specimen accumulates during this strain-rate ramping time. If the desired strain rate is high, the specimen may yield before the desired rate is attained. In this case, the strain rates at yielding and early plastic flow are lower than the desired value, leading to inaccurate determination of the yield strength. Through experimentation and analysis, we examined the validity and accuracy of the flow stresses for ductile materials in a split Hopkinson pressure (SHPB) bar experiment. The upper strain-rate limit for determining the dynamic yield strength of ductile materials with a SHPB is identified.     

SHPB系统高温实验自动组装技术

在进行SHPB系统高温实验时,波导杆常常与试件被同时加温,从而在波导杆中产生温度梯度。为了消除波导杆中温度梯度的影响,有研究人员利用传热学原理来对测量波形进行修正。本文利用一套自动组装装置,实验前对试件加热并自动保温,波导杆则置于加热炉外,实验时进行瞬态组装,由此避免了导杆温度梯度对波形的影响。本文介绍了自动组装原理和过程,比较了在200℃时导杆和试件同时加热,与采用自动组装所产生的透射波形的差异。同时应用ABQUS进行了接触热传导分析,比较了“冷接触时间”在40ms～500ms时试件上的温度分布,计算结果表明:自动组装条件下“冷接触时间”在400ms以内,试件温度不均匀可控制在10%以内。     

SHPB装置应用于测量高温动态力学性能的研究

ＳＨＰＢ（分离式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆）装置由于具有结构简单、操作方便等优点，为人们普遍采用；但作测量材料的动态高温力学性能方面还存在诸多不便之处。本文研究了附有恒温加热炉的ＳＨＰＢ装置，利用一维应力波传播理论和传热学原理，修正了温度梯度场对波形测量的影响，从而使ＳＨＰＢ装置用于高温动态力学测量更为准确可靠；并实际测量了３０ＣｒＭｎＳｉＡ钢从室温到高温（６００℃）的动态（１．５～４．０×１０３ｓ－１）应力应变曲线。     

混凝土动态直接拉伸实验技术研究

霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,简称为SHPB)实验装置越来越多地被应用于混凝土等脆性材料动态压缩力学性能的研究之中。由于种种原因,混凝土动态拉伸的实验研究一般还是通过SHPB实验装置间接进行(例如层裂实验和巴西圆盘实验等)。本文以C30混凝土材料为例,根据霍普金森实验技术的两个基本假定(一维假定和均匀假定),探讨了利用大直径(Φ75mm)霍普金森拉杆(Split Hopkinson Tension Bar,简称为SHTB)实验装置对混凝土类试件进行动态直接拉伸的实验技术问题,提出了一种可行的对混凝土类材料进行直接动态拉伸实验的方法。