高温高应变率下钛合金Ti6Al4V的动态力学行为及本构关系

采用分离式霍普金森压杆实验技术,研究了钛合金Ti6Al4V在温度为25~800℃、应变速率为2 000~7 000 s-1的冲击压缩下的动态力学行为和微观组织演变,分析了其力学响应的温度依赖性和应变率敏感性,构建了可准确表征材料塑性流动行为的修正Johnson-Cook模型。结果表明,Ti6Al4V具有显著的应变硬化、应变率强化、应变率增塑和温度软化效应。随着加载温度和应变率的升高,材料的应变硬化效应减弱。温度敏感性随加载温度的升高而显著降低。应变率敏感性因子与加载温度呈负相关,随真实应变的增大呈下降趋势。高温高应变率下细小等轴α相、拉长型α相和块状α相取代初始等轴α相成为Ti6Al4V微观组织的典型特征。考虑率-温耦合作用和绝热温升影响的修正Johnson-Cook模型能够准确地预测Ti6Al4V的塑性流动应力-应变响应。

不同应变率加载下硅的高压相变行为

高压相变是凝聚态物理、地球与行星科学、材料科学等领域关注的核心问题之一,而加载应变率是相变动力学过程的重要影响因素。由于动态加载下物质相结构原位诊断技术的不足以及宽广加载应变率下物质高压相变系统实验研究的缺失,难以开展基于原子尺度物理机制的相变动力学过程建模和数值模拟研究。由于硅的高压相极其丰富,且拥有大量亚稳相,动力学因素在其高压相变过程中发挥着至关重要的作用,因此,硅是研究高压相变动力学的理想材料,对普适相变动力学过程的理论建模具有重要意义。以硅为例,介绍其在准静态、中等应变率和高应变率加载下的相变行为,探讨加载应变率对其高压相变行为的影响。

计及温度与应变率效应的超高分子量聚乙烯纤维束的拉伸力学性能

文中针对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维束在计及温度(-60~80℃)和应变率(1×10^(-5)~3.3×10^(-2)s^(-1))的25种工况下,基于轴向拉伸实验数据,研究了UHMWPE纤维束力学性能的温度和应变率效应及其破坏模式。结果表明,UHMWPE纤维束的力学性能具有一定的应变率和温度效应,但后者具备更为强大的影响力,其使UHMWPE纤维束在温度高于50℃时强度产生显著下降;此外,低温在提升UHMWPE纤维束拉伸强度的同时也会削弱其力学性能的应变率效应,在-40~-60℃范围内,UHMWPE纤维束拉伸强度和失效应变基本不受应变率影响。在UHMWPE纤维束的损伤破坏模式研究中发现,在脆-韧性转变存在的温度区间内(25~80℃),转变发生的临界应变率与温度之间具有密切联系,温度每升高约30℃,临界应变率就会提升1个量级。

高应变率下不同初始相变温度NiTi合金的力学响应

为获得高应变率下不同初始相变温度NiTi合金的屈服应力等基本物理特性和力学响应规律,采用10^(−3)s^(−1)应变率下准静态压缩与拉伸、10^(5)s^(−1)应变率下准等熵压缩及10^(7)s^(−1)应变率下冲击加载实现跨量级的不同应变率加载,高应变率加载实验中通过控制样品初始温度实现不同初始相态NiTi合金的力学响应测量。结果显示,初始马氏体相和初始奥氏体相NiTi合金的准静态加载应力-应变曲线中均出现2次模量变化,初始马氏体相中的模量变化由晶体重定向和马氏体相塑性变形引起,初始奥氏体相中的模量变化由马氏体相变和相变后塑性变形引起。准等熵加载下,初始马氏体相NiTi合金的Lagrangian声速随粒子速度增大而增大,未观察到间断等非线性变化;而初始奥氏体相中声速曲线存在间断,声速由初始横波值间断减小至体波声速后再随粒子速度线性增大。冲击实验中,初始马氏体相NiTi合金后自由面速度约34 m/s处出现双波结构,而将样品初始温度升至402 K后再冲击加载,则在约100 m/s处出现双波结构,二者速度曲线拐点分别由马氏体相弹塑性屈服和奥氏体相塑性屈服引起;在初始奥氏体相NiTi合金冲击实验中,在样品后自由面速度达到220~260 m/s时才出现显著的奥氏体相弹塑性转变。随着应变率从约105 s^(−1)升高至10^(7) s^(−1),相同组分奥氏体相NiTi合金的弹性极限由约2 GPa增大至约4 GPa,10^(7) s^(−1)应变率下,随着初始样品温度升至402 K,弹性极限降至1.7 GPa,表明NiTi合金的弹性极限存在显著的温度和应变率效应。

低应变率冲击荷载下节理花岗岩的动力响应规律

岩体中节理面的存在是引起冲击应力波衰减的主要原因,会造成爆炸能量的衰减及降低爆破效果。为探讨低应变率下不同节理倾角花岗岩在冲击荷载作用下的动态力学性质、应力波传递规律和能量传递规律,利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,简称SHPB)试验装置对低应变率下3种不同冲击气压、4种不同倾角的节理花岗岩进行冲击试验。结果表明:(1)在含节理的岩样中,其峰值应力随节理倾角的增大呈下降趋势,随冲击荷载的增大呈上升趋势;(2)透射系数随节理倾角的增加先增大后减小,随冲击荷载的增大先减小后增大;(3)能量传递系数随节理倾角的增加先增高后降低,完整岩样、节理倾角θ=0º和45º的岩样,其能量传递系数都随着冲击荷载的增大而减小,而节理倾角θ=15º和30º的岩样,其能量传递系数随着冲击荷载的增大先减小后增大。

高应变率冲击荷载下节理花岗岩损伤机制研究

针对冲击荷载作用下贯通节理花岗岩动力响应特征和能量演化规律这一研究目标,以含不同倾角节理花岗岩为研究对象,基于不同倾角节理岩体损伤力学理论模型,开展了高应变率下不同节理倾角花岗岩的分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,简称SHPB)冲击试验,完成了高应变率下花岗岩的损伤特征研究,获取了岩体动态力学性质和能量耗散特征。研究结果表明:(1)基于Druck-Prager准则和Weibull强度分布准则,结合弹性波理论,建立了不同倾角节理岩体的应力-应变理论模型,该模型能够较好地反映花岗岩的抗压强度、弹性模量随节理倾角变化的动态力学特性,具有较强的倾角效应;(2)相同冲击荷载下,随节理倾角的增大,能量反射系数呈线性上升趋势,能量传递系数呈线性下降趋势,岩样的峰值应力逐渐而减小;相同节理倾角下,随冲击荷载增大,能量反射系数先增大后减小,能量传递系数先减小再增大,能量吸收率随节理倾角的增大而减小;(3)当冲击荷载相同时,完整岩样、节理倾角θ=0°和θ=15°岩样的破碎程度较大,而节理倾角θ=30°和θ=45°岩样的破碎程度较小;当节理倾角相同时,随冲击荷载增大,超过岩样最大抗压强度时,岩样由剪切和拉伸破坏逐渐转化成压碎破坏,且破碎程度也随之增大。

不同应变率下高强钢的拉伸行为及力学性能分析

高强钢因强度高、塑性好、耐腐蚀性优异而得到广泛应用。然而,高强钢具有显著的应变率敏感性。为此,针对2种高强钢(Ultrafort 401和Ferrium S53钢),开展了不同应变率下(10^(-4)~10^(3) s^(-1))的拉伸试验,获得了屈服强度、抗拉强度、硬化指数等性能参量,并深入分析了其随应变率变化的规律。不同应变率下,Ferrium S53钢的拉伸性能始终优于Ultrafort 401钢,但两者却表现出不同的变化趋势。随着应变率的增加,Ultrafort 401钢的屈服强度和抗拉强度均增大,而Ferrium S53钢的屈服强度增大,抗拉强度先减小后增大。结合微观结构表征发现,Ferrium S53钢所具有的较高的屈服强度与其初始晶粒尺寸更小有关,2种高强钢的抗拉强度随应变率增加所表现出的不同变化趋势则与应变硬化响应差异有关。随着应变率的升高,Ultrafort 401钢的韧窝尺寸增大,而Ferrium S53钢的韧窝尺寸先减小后增大,说明2种高强钢的应变硬化水平随着应变率升高而呈现不同的变化趋势。研究结果为高强钢在不同加载条件下的力学性能评估提供了科学依据,对高强钢的工程应用具有一定的指导意义。

应变率对高固含量HTPB推进剂力学特性与破坏机制的影响

通过不同拉伸速率下的单轴拉伸力学性能试验,研究了应变率与90%固含量(固体颗粒的质量分数)HTPB推进剂力学性能之间的相关性,并采用扫描电镜对拉伸断面进行了观察,分析了应变率对推进剂力学性能和破坏机制的影响。结果表明,在低应变率条件下,推进剂的应力—应变曲线出现了弧段现象;随着应变率增加,推进剂应力—应变曲线逐渐由5段式变为4段式;推进剂的初始模量、最大抗拉强度随应变率的增大呈现出上升趋势;推进剂的最大延伸率随应变率增大呈现出降低趋势,在应变率为1190.48×10^(-4)s^(-1)时最大延伸率仅为33.9%;随着应变率增大,高固含量HTPB推进剂的破坏机制逐渐由颗粒“脱湿”转变为基体撕裂,无颗粒破碎产生。

考虑应变率效应的金属爆炸容器初始设计方法

针对爆炸容器初始设计常用的动力系数法存在的设计余量过大问题,通过将Johnson-Cook本构模型的应变率项纳入结构振动方程,推导出考虑应变率效应的等效静载荷计算方法。采用本文方法及常规动力系数法对不同半径的球形容器在1 kg TNT炸药加载下的壁厚进行了理论设计,并通过高置信度数值模型对两种方法所设计的容器的结构响应进行了数值计算。结果显示,两种方法所设计的容器均在弹性范围,但是本文方法的容器壁厚更小、结构应力更大。这表明通过考虑应变率效应,本文方法可合理降低设计载荷以减小设计余量,进而更充分地发挥材料与结构的力学性能,并可用于金属爆炸容器的初始设计。

墨鱼骨结构的力学行为及其应变率效应

墨鱼骨是一种墨鱼内部产生的生物矿化壳,通过调节壳内的气液比从而实现墨鱼的深浅浮动,同时满足轻质和高刚度的力学特性,使墨鱼能够很好地适应深海环境,所以墨鱼骨是一种典型的高比刚度的多孔材料。为探究墨鱼骨结构的力学性能,通过Instron材料试验机和分离式Hopkinson压杆实验装置,对墨鱼骨在不同加载应变率下的力学行为进行研究。研究结果表明,墨鱼骨在准静态加载下,其应力-应变曲线呈现典型的三阶段变化模式,即弹性段、平台段和压实段,具有很好地吸能缓冲作用;随着加载应变率的提高,墨鱼骨的初始压溃应力和平台应力也随之增加,表明墨鱼骨材料对加载应变率存在很强的敏感性。进一步分析不同生长方向的墨鱼骨在准静态压缩下的力学行为,结果表明随着生长方向的增加,墨鱼骨结构的刚度和吸能性能都得到了弱化,从而揭示了墨鱼骨材料压缩行为的各项异性。

中等应变率下纸蜂窝结构的力学性能研究

应用新研制的中应变率实验装置结合激光干涉测速系统完成了纸蜂窝结构的动态加载实验,研究纸蜂窝结构在中应变率下的力学性能;结合高速摄影和数字图像相关方法,得到纸蜂窝结构的变形过程和动态失效机制,并采用数值方法进一步探究其动态失效机制。结果表明:纸蜂窝结构表现出明显的应变率效应;厚度为2.10 mm的纸蜂窝屈服强度明显低于其他3种尺寸,表现出异常尺寸效应,应力-应变曲线下降段也有较大差异。产生异常尺寸效应的主要原因是,随着试样尺寸的增大,纸蜂窝结构的破坏模式发生了变化。中应变率加载过程中,纸蜂窝结构的失效机制为破坏模式的转变—由面外壁屈曲破坏转变为面内剪切破坏。本研究还利用数值模型分析了胞元宽度的变化对结构力学性能的影响,该研究结果对于薄壁结构的优化设计具有很好的参考意义。

考虑应变率效应的高海情运载火箭海上发射动力学特性研究

运载火箭海上发射过程是一个强非线性复杂系统级问题。在海上风浪环境下,运载火箭与框架式发射架之间发生相对运动,适配器与导轨间的多次冲击载荷非线性、不连续,多次冲击速度不同,应对适配器模型的应变率效应进行评估。首先基于聚氨酯泡沫试验数据,得到更为准确地改进唯象宏观模型。分别建立考虑适配器应变率效应和不考虑适配器应变率效应的海上发射系统动力学模型,对高海情下运载火箭海上发射系统动力学特性进行研究。结果表明,应变率效应对运载火箭海上发射过程中适配器与导轨接触载荷影响较大,对运载火箭海上发射滚转运动规律影响显著,将直接影响后续运载火箭海上发射安全性评估及限转装置设计。研究对运载火箭海上发射具有较高工程价值及理论指导意义。

经会阴4D超声对产后压力性尿失禁患者的盆底肌应变率研究

目的:经会阴4D超声对盆底结构和功能进行研究,为诊断产后早期压力性尿失禁(SUI)提供肛提肌伸缩应变率量化参数及客观依据。方法:收集包头医学院第二附属医院就诊的产后42~100 d有SUI症状患者30例作为病例组(SUI组),同期无SUI症状患者30例为对照组(非SUI组)。测量不同状态下膀胱颈移动度(BNM)、尿道旋转角(URA)、膀胱后角(RVA),计算肛提肌伸缩应变率并进行分析对比。绘制受试者工作特征曲线获得超声诊断截断值。结果:两组一般资料差异无统计学意义(P<0.05)。SUI组和非SUI组的面积收缩应变率(εA1)均和周长收缩应变率(εC1)呈正相关(r=0.617,P<0.01;r=0.457,P<0.05);两组的εC1均和前后径收缩应变率(εL1)呈正相关(r=0.569,P<0.01;r=0.563,P<0.01);两组的面积拉伸应变率(εA2)均和周长拉伸应变率(εC2)(r=0.370,P<0.01;r=0.647,P<0.01)、前后径拉伸应变率(εL2)(r=0.663,P<0.01;r=0.427,P<0.01)呈正相关;两组的εC2均和εL2呈正相关(r=0.785,P<0.01;r=0.542,P<0.01)。ROC曲线结果显示,εA1诊断截止最好,曲线下面积最大(0.9936),灵敏度最高(97.4%)。结论:肛提肌伸缩应变率对产后早期压力性尿失禁患者的诊断具有一定价值。

考虑地震应变率效应的木材单轴受压本构模型

地震作用下木结构的精细化分析应考虑木材的应变率效应.为确定地震应变率对木材单轴受压力学性能的影响,选取落叶松和樟子松两种木材,分别设计了横纹试件与顺纹试件,通过其在地震应变率10^(-3)s^(-1)、10-2 s^(-1)、10-1 s^(-1)和准静态应变率10^(-4)s^(-1)作用下的单轴受压试验,研究了木材应力-应变关系、破坏模式、弹性模量、抗压强度等的变化规律.结果表明:木材抗压强度、弹性模量的单轴受压地震应变率效应明显;随着地震应变率水平的增大,木材抗压强度提高更为显著.进一步建立了考虑地震应变率效应的木材单轴受压本构模型,编写了相应的UMAT子程序,并将其嵌入ABAQUS有限元软件中.在此基础上,对木材进行了单轴受压数值模拟,模拟结果与试验结果吻合较好,验证了本构模型、UMAT子程序的正确性.研究成果可为木结构的抗震分析提供本构支持.

高应变率下金属动态行为表征和断裂研究

用5种加载速率拉伸试验,研究两种晶体结构金属的应变率效应,结合Drucker屈服方程和MMC断裂准则,分别用Johnson-Cook、Zerilli-Armstrong和Modified Johnson-Cook硬化模型标定试验数据。结果表明:DP80钢和OFHC的预测误差最小的模型分别为ZA BCC模型和MJC模型。模型的数值模拟结果和标定结果一致,但应变率越高,温升效果越明显。冲击试验表明,有限元模拟结果与试件断裂形貌基本一致,所建立的模型能准确地反应金属的动态失效行为。

应变率与短纤维掺量对TR-HDC单轴拉伸力学性能影响试验研究

为研究纤维织物增强高延性混凝土(TR-HDC)在不同应变率和短纤维掺量下的单轴拉伸力学性能,该文设计了25组TR-HDC薄板试件进行单轴拉伸试验,研究应变率(10^(−5) s^(−1)~10^(−1) s^(−1))和短纤维掺量(0%~2%)对TR-HDC开裂模式、破坏机理和抗拉强度的影响。结果表明:TR-HDC在单轴拉伸荷载作用下具有多缝开裂特征,随应变率的增大,试件裂缝间距略有增大趋势,同时短纤维掺量越高,多缝开裂模式越稳定;应变率和短纤维掺量增加可显著改善界面性能,抑制纤维织物的滑移失效;随应变率的提升,TR-HDC的力学性能呈现出一定的应变率敏感性,同时增加短纤维掺量,其开裂和峰值强度也呈现出显著的增长趋势。基于线性对数关系和多因素耦合提出的预测模型可统一TR-HDC静态与动态抗拉强度计算方法,为其工程应用提供了理论依据。

宽温域宽应变率下丁羟四组元HTPB推进剂单轴压缩力学行为

为研究丁羟四组元端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂在宽温域宽应变率下的单轴压缩力学行为,基于万能材料试验机、高速液压伺服试验机、分离式霍普金森压杆,结合可程式恒温恒湿试验机等温控手段,开展了宽温域宽应变率下的推进剂单轴压缩力学性能实验,获取了-40,-25,-10,20,50℃5个温度下10-4~103 s-1应变率的丁羟四组元HTPB推进剂的应力应变曲线,并建立了HTPB推进剂的分段式单轴压缩率温本构关系。结果表明,HTPB推进剂的力学响应存在显著的率温相关性,在任意应变率下其力学响应都呈阶段性变化,即线弹性阶段⁃非线性屈服阶段⁃应变软化阶段或应变硬化阶段;且在高应变率下,非线性屈服行为后的应变软化现象明显弱于低、中应变率。此外,高应变率时,随着温度的降低,应力应变曲线的变化速率逐渐减缓;而低、中应变率却恰恰相反,随着温度的降低,应力应变曲线的变化速率逐渐加快。HTPB推进剂的力学强度随着温度的降低显著增大,温度从50℃降低至-40℃时,HTPB推进剂试件在宽应变率作用下的最大应力从2.2~8.8 MPa增长至约11~22 MPa。同时基于实验数据构建了分段式率温本构关系,发现其在温度较高时拟合效果更好,能够较好地预测HTPB推进剂的力学行为。

考虑材料应变率效应的冲击响应模型相似律研究

目的研究考虑材料应变率效应的冲击响应模型相似律,获得一个能够综合材料弹塑性和应变率效应的精确相似解,支撑工程领域的模型试验。方法根据BuckinghamП定理,综合考虑材料的弹性、应变硬化和应变率效应,进一步推导了工程结构在冲击响应的模型相似律表达式。在此基础上,提出改变结构质量和冲击器速度来满足模型相似律的方法。结果相比最近冲击模型相似律的研究中存在近似相似、迭代求解的缺陷,该方法是一个显式、完全精确的相似解,并且能够同时考虑材料的弹性、应变硬化和应变率效应。采用圆板撞击的有限元数值模型进行了验证。结论推导出的模型相似律能够准确地预测原型的动态冲击的响应。相比而言,使用以往的相似方法具有明显的误差。

高应变率荷载作用下钢筋与ECC的黏结滑移关系研究

采用水泥基复合材料(engineering cementitious composite,ECC)替代混凝土可以提高结构在偶然荷载作用下的抗连续倒塌性能,但在悬链线大变形阶段钢筋与ECC间可能会出现黏结滑移破坏。基于分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,进行了钢筋与ECC的动态黏结滑移性能试验,分析了ECC强度等级、应变率、钢筋直径对极限黏结强度、刚度和滑移量的影响规律,获得了高应变率下钢筋与ECC的平均黏结滑移曲线,得到其黏结滑移破坏模式。并与静态黏结滑移试验进行对比,得到了动态黏结强度增强因子。进一步,通过钢筋开槽内贴应变片法,获得不同锚固位置的黏结应力及相对滑移的分布规律,提出黏结位置函数。最后,根据试验结果得到钢筋与ECC平均黏结滑移本构,进而乘以黏结位置函数得到考虑锚固位置影响的动态黏结滑移本构,为ECC结构构件设计及有限元分析提供试验依据和理论参考。

Ti6321钛合金焊接接头高温-中应变率力学性能及微观组织

采用Gleeble热模拟试验机对焊接接头不同区域进行了高温-中应变率压缩试验,研究了焊接接头不同区域组织对其力学性能的影响,分析了温度和应变率对其变形过程的影响。结果表明,在高温-中应变率压缩时,热影响区强度最高,母材区较差,焊缝区强度最差。高温下(350℃和550℃),随应变率增加(1s^(-1)和10s^(-1)),变形主导因素由应变硬化效应转变为热软化效应。母材绝热剪切敏感性较低,在高温-中应变率压缩变形时沿剪应力最大方向发生大范围晶粒协调变形。由于热影响区组织均匀,应变率的增加相对于温度的增加,更能促进热影响区绝热剪切带的生成。焊缝区压缩时,应力易于在晶界处集中,此时温度对其压缩变形时绝热剪切带的生成更为有利。