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。

梯度多胞材料的动态力学性能分析与设计研究综述

多胞材料是一种内部含有大量空穴和胞元的结构,具有轻质、高比吸能等特性,广泛应用于航空航天、交通运输和人体防护等碰撞/爆炸防护领域。引入梯度设计可实现多胞材料的有序耗能和载荷调控,满足不同情形和工况下的防护需求。对梯度多胞材料动态力学行为和设计的研究进展进行了综述,着重介绍了梯度多胞材料/结构在抗冲击、抗爆炸和模拟爆炸载荷加载3个方面的应用案例。首先,介绍了梯度多胞材料的分类,较系统地总结了梯度多胞材料在动态加载下的变形特征、冲击波模型、防护性能等方面的研究,阐明了梯度多胞材料的密度/强度梯度与惯性效应存在的竞争机制。其次,以冲击波模型为力学原理指导梯度多胞材料/结构设计,介绍了梯度多胞材料耐撞性反向设计、多种抗爆炸夹芯结构设计、计及弹靶耦合效应的爆炸载荷模拟器设计等策略,实现了最佳防护效果或载荷精准控制,为抗冲击/抗爆炸防护设计和快速评估提供理论基础和技术支撑。最后,展望了梯度多胞材料在极端环境加载、大能量冲击和强非线性载荷调控等需求下冲击防护领域的应用前景。

虚拟仿真技术在材料动态力学实验教学中的运用

为规范材料动态力学实验测试技能,基于一维杆中应力波传播理论,采用虚拟仿真技术构建了分离式霍普金森压杆(SHPB)实验试场景,设计并开发了材料动态力学性能测试虚拟仿真实验。该虚拟仿真实验解决了SHPB实验中场地限制、使用安全及耗材损耗等问题,可在教学中帮助学生掌握材料动态性能测试的操作步骤,加深对应力波传播过程的理解,并培养学生具备对材料进行动态力学性能测试分析的能力。该虚拟仿真实验的主要特色是,以应力波理论为基础,构建了可与材料类型、操作过程相一致的开放式虚拟实验测试数据分析模块,为应力波理论的教学内容与瞬态实验力学技术应用方式提供沟通的桥梁。

多晶纯钛在高应变率不同温度下的拉伸力学行为实验研究

利用MTS809和自行研制的旋转盘冲击拉伸试验机,对多晶纯钛进行了应变率为0.001s-1和300s-1、温度为298K至973K的拉伸试验和应变率为300 s-1不同温度下的冲击拉伸复元试验,得到了多晶纯钛的拉伸应力应变曲线和高应变率等温应力应变曲线。试验结果表明,多晶纯钛的拉伸力学行为具有应变率和温度相关性。采用修正的Johnson-Cook模型进行数值拟合,结果表明,该本构模型能较好地表征多晶纯钛在试验应变率和温度范围内的拉伸力学行为。

工业纯钛高温动态拉伸力学行为的微观机制

利用光学金相显微镜和透射电子显微镜(TEM)对多晶工业纯钛(CP-Ti)在不同温度(298～973K)和应变率(10-3～1400s-1)下的拉伸断裂试件的试验段进行了观察分析,考察了形变孪晶、位错和析出相等微观组织随温度和加载应变率的变化规律.在此基础上,提出了孪晶系的分步激活模型并对动态高温力学行为进行了解释.此外,还对位错-溶质原子相互作用的微观表现及其对工业纯钛准静态力学行为的影响进行了探讨.

多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的动力学响应分析

为了研究均匀/梯度多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的耦合响应过程和多胞子弹对夹芯梁的加载效果,对该冲击过程开展了理论分析、数值模拟和试验研究:通过将泡沫夹芯梁等效为单梁以简化分析,基于多胞子弹的冲击波模型和泡沫夹芯梁的等效单梁响应模型,构建了多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的耦合分析模型,给出了冲击过程中各响应阶段的控制方程,并结合龙格-库塔方法对方程进行了数值求解;基于三维Voronoi技术,开展了均匀/梯度多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的细观有限元模拟;在多胞子弹的冲击测试平台上进行了试验研究,结合高速摄影技术获取了多胞子弹和泡沫夹芯梁的速度响应。结果表明:耦合分析模型可以准确地预测多胞子弹和泡沫夹芯梁的速度历程曲线以及多胞子弹产生的冲击压强;在初始动量相同但密度分布或初速度不同的多胞子弹冲击下,同一构型的泡沫夹芯梁展现出不同的力学响应,这说明多胞子弹的加载不能简单地等效为脉冲加载,多胞子弹与夹芯梁之间的耦合效应不可忽略;相较于均匀多胞子弹,梯度多胞子弹的冲击压力波形更加尖锐,在其衰减过程中展现出更强的非线性特征。

晶界对近片层TiAl高温动态力学行为的数值模拟

基于晶体塑性理论,给出了同时考虑位错滑移、形变孪晶和晶界变形的近片层组织TiAl本构模型;在此基础上,建立基于Voronoi算法的近层片TiAl三维多晶有限元模型,并在晶粒交界处引入壳单元来描述晶界;利用上述有限元模型,对不同温度(室温、500和700℃)和不同拉伸应变率(10-3、320、800和1 350 s-1)下近层片TiAl的塑性力学行为进行数值模拟。结果显示:模拟得到的应力塑性应变曲线与试验结果吻合较好,能够反映近层片TiAl在不同温度和应变率下的材料响应;由于晶界的存在,晶粒内的应力分布会发生明显改变,晶界附近产生一定的应力集中。此外,晶界对孪晶存在一定的阻碍作用,使得晶界附近实体单元的孪晶体积分数要略低于多晶整体的平均孪晶体积分数。

强冲击下金属材料动态损伤与破坏的分子动力学模拟研究进展

强冲击下金属材料的动力学过程及其内在的机理分析一直是冲击物理的前沿,无论是在国家基础工程还是尖端武器研制中都具有重要的意义与价值。结合课题组的相关工作,综述了国内外冲击物理领域对金属材料在强冲击作用下动态损伤和破坏行为及其机理等问题的研究进展,重点讨论了金属材料内部及表界面微观结构对损伤破坏机制的影响,介绍了复杂加载条件下材料行为研究的机遇与挑战,并展望了下一步研究工作的重点。

发泡碱式硫酸氧镁胶凝材料的动态力学性能试验研究

随着固废再生利用研究的迅速发展,研究固废再生复合材料的性能势在必行。本文对比分析了有无添加固废再生料的发泡碱式硫酸氧镁胶凝材料(FMOCM)的内部结构、准静态和动态力学性能。实验结果表明,由于添加了固废再生料和木粉,FMOCM内部结构的孔径显著变小,这大幅度提高了FMOCM的准静态抗压强度。同时,FMOCM表现出明显的应变率效应,通过比较动态强度因子可知,常规FMOCM的动态增强效果几乎翻倍,而固废再生料的添加减弱了应变率效应。仅当应变速率较低时,相比于常规FMOCM的粉碎性破坏,含固废再生料的FMOCM表现出较好的韧性。总之,本研究表明固废再生料在轻质碱式硫酸氧镁胶凝材料领域中具有广阔的应用前景。

激发剂组成对碱激发-矿渣水泥砂浆变形及力学性能的影响

系统研究了不同模数和含固量的Na_2SiO_3/NaOH复合激发剂溶液对水胶比为0.55的碱激发-矿渣水泥砂浆凝结时间、化学收缩、自收缩和抗压强度的影响,并使用XRF,XRD,MBET等分析方法表征分析了矿渣样品。结果表明,矿渣主要由无定形态SiO_2组成,具有较高的反应活性。与同水胶比水泥砂浆相比,尽管具有相近的7 d化学收缩,然而碱激发-矿渣水泥砂浆的自收缩和抗压强度均远大于水泥砂浆。不同激发剂组成对碱激发-矿渣水泥砂浆的变形及力学性能均有显著地影响,其自收缩随激发剂模数的增大而降低,随含固量的增大先增大后减小。

石蜡胶囊的制备及其对砂浆热导和力学性能的影响

为解决固-液相变材料封装问题,以石蜡为芯材,陶粒颗粒为载体,水泥为封装材料制备了石蜡胶囊。分析了石蜡胶囊的基本性质,测试了石蜡胶囊的DSC曲线;并将石蜡胶囊掺入砂浆中,研究了掺入石蜡胶囊对砂浆热导和力学性能的影响。研究表明:使用水泥封装后,石蜡胶囊的密封性好,高温下不会发生泄露;石蜡胶囊掺入砂浆中,对砂浆力学性能影响较小,且可降低砂浆的导热系数和水泥水化温度,并推迟水化温度峰值的出现。

第二届全国爆炸与冲击动力学青年学者学术研讨会报告综述

简要介绍了第二届全国爆炸与冲击动力学青年学者学术研讨会的情况,概况总结了与会学者所做的报告内容.报告包括3个特邀报告、14个专题邀请报告和24个主题邀请报告,其中主题邀请报告分为爆轰和爆炸动力学、结构动力学和多尺度高性能计算、材料动力学和实验测试技术、复合材料结构的动态力学行为、轻质结构的吸能特性和优化设计等5个主题.

合金材料锯齿形塑性失稳的实验研究与机理分析

轻质高强度合金具有重要的应用背景,而其机理仍未解明的锯齿型塑性失稳现象制约了它们的应用,同时该问题也是材料科学家关注的一个热点问题.基于实验力学的研究,作者所属的光测细观力学课题组提出用动态散斑方法研究合金材料锯齿形屈服剪切带,观察到带形成演化和传播的时空特征、带内应变动态分布和剪切带雪崩变形时拉伸试件的瞬态收缩变形;用固溶处理方法调节合金材料内部溶质原子浓度和析出纳米相颗粒大小与分布,观察到随之变化的锯齿与剪切带的时空特征演变,发现了溶质原子浓度与析出相颗粒这两种因素分别在不同固溶处理温度对动态应变时效起主导作用;建立了基于溶质原子与位错交互作用的物理唯象模型,得到不同加载应变率下与实验相符的锯齿形加载曲线,再现出锯齿形加载曲线和带反复传播的轨迹.

多胞材料的动态应力应变状态及其一致近似关系

多胞材料在高速冲击下呈现出逐层压溃的变形模式,塑性冲击波模型可以用来表征这种集中变形带的传播行为。本文中采用截面应力计算方法得到了随机蜂窝在恒速冲击下的一维应力分布,进而对冲击波的传播规律进行了分析。比较了高速冲击下由不同方法得到的冲击波速度与冲击速度的关系,结果表明RPP-L(率无关,刚性-理想塑性-锁定)模型高估了冲击波速度,但R-PH(率无关,刚性-塑性硬化)模型以及一维冲击波理论得到的冲击波速度与有限元结果比较接近。冲击波速度与冲击速度在高速情形下趋于线性关系,但随着冲击速度的减小,冲击波速度不断减少并趋于常数。根据这一特征和塑性冲击波模型,发展了可以表征冲击波速度与冲击速度的关系、动态应力应变关系的一致近似模型。

非常规油气开采中的微纳米力学问题研究进展

非常规油气资源储量丰富,开发前景广阔,其开采过程涉及一系列微纳米力学问题.聚合物、纳米流体驱油技术能够提高石油采收率,它们的微观驱替机理引起了人们的广泛关注.页岩气以吸附和游离态贮存于页岩微纳米孔隙中,在注入气的驱替下,流入宏观裂缝.本文结合课题组相关工作,综述了目前非常规油气开采中的微纳米力学问题研究进展.重点讨论了强化采油技术中粘弹性聚合物溶液和纳米流体的微观驱替机理和页岩气的吸附、注气驱替以及微流动机制,总结并展望了下一步研究工作的重点和方向.

具有恒定冲击载荷的梯度泡沫金属材料设计

多胞材料可通过大变形大量地吸收冲击能量,引入密度梯度可进一步提高其耐撞性。梯度多胞材料的宏观力学响应对材料密度分布极为敏感,不同类型的细观构型的影响也极为不同。已有的研究工作主要局限在对给定的密度梯度分析其动态响应,较少对耐撞性设计方法进行研究。本文针对梯度闭孔泡沫金属材料,基于非线性塑性冲击波模型发展了耐撞性反向设计方法,以维持冲击物受载恒定为目标,运用级数法获得了简化模型和渐近解。利用变胞元尺寸法构建了连续梯度变化的三维Voronoi细观有限元模型,并利用ABAQUS/Explicit有限元软件对理论设计进行数值验证。结果表明,反向设计理论简化模型的渐近解对于梯度闭孔泡沫金属材料的耐撞性设计是有效的,所提出的耐撞性设计方法在控制冲击吸能过程和冲击物受载方面具有指导意义。

半寿命低周疲劳Glidcop~材料导热系数的测量

针对上海同步辐射装置（SSRF）光束线前端挡光元件需要承受高热负载的要求，对挡光元件所使用的纳米Al2O3颗粒增强Cu基复合材料Glidcop，采用一维稳态纵向热流法测量其在不同应变状态下的热传导系数。用有限元模拟了试件的温度场分布，并对试验结果进行了误差分析，揭示了试验误差的主要来源。试验测量结果表明，经历半寿命低周疲劳循环所产生的应变损伤累积对Glidcop导热系数的影响可以忽略。

SSRF前端光子挡光器的结构设计和热应力分析

光子挡光器是同步辐射光束线前端区的重要部件,其主要作用是阻挡高强度同步辐射.利用有限元分析软件ANSYS,对上海同步辐射装置(SSRF)前端光子挡光器,进行了精细的温度和热应力分析.分析结果表明,新设计的光子挡光器热应力水平有了显著的降低,提高了光子挡光器承受热负载的能力,满足SSRF前端部件的设计要求.

一种新的橡胶材料弹性本构模型

橡胶类材料本构关系对于科学研究和工程应用具有重要意义,但已有的橡胶模型的拟合能力和可靠性需要进一步提高.为解决此问题,本文提出了一种新的橡胶材料的各向同性、不可压缩柯西弹性模型.研究了橡胶材料本构关系的模型形式,基于平面应力变形状态,提出了一种以较大的两个伸长率为自变量、适用于一般变形状态的橡胶材料弹性本构模型形式;研究了橡胶材料在侧面受约束条件下的变形规律,分析了橡胶材料本构关系需要满足的约束条件;在此基础上,结合一个可以通过实验确定的描述平面拉伸变形状态下的橡胶材料力学特性函数,提出一种将该函数拓展为平面应力状态一般模型的方法,并给出了一个具体的函数形式,形成了一个新的不可压缩、各向同性的橡胶材料弹性本构模型.使用5组包含3种类型实验的数据和一组较全面的双轴测试数据对该模型进行了参数拟合,结果表明:该模型具有很好的拟合精度和更高的可靠性,仅用一种类型实验数据,如单轴拉伸或者平面拉伸等,也能获得较好的拟合结果.

封闭空间内水层对爆炸载荷特性影响的实验研究

采用球对称爆炸装置,在球形容器中开展了炸药与水之间有空气间隙(层)的置水爆炸实验,根据实测的激波走时、压力和冲量等数据,对容器内置水爆炸载荷形成机制进行了分析,并探讨了爆炸过程中空气间隙与爆轰产物和水之间的作用机理。结果表明:置水爆炸时容器内壁受到的载荷主要包括幅值较低的前导空气冲击波和雾状水滴的持续撞击作用,有空气间隙的置水爆炸可以降低反射压力、准静态压力和冲量,空气间隙有利于水对爆炸载荷的消减效果。