Study on the Dynamic Behavior of Tungsten Alloy at Strain Rates up to 5 000 s^(-1)

The dynamic stress-strain curves of 93% tungsten (W) alloy in the forged state at strain rates up to (5 000 s^(-1)) and in the temperature range from 223 K to 473 K were measured with the split Hopkinson pressure bar (SHPB) technique. Based on the above experimental data a dynamic constitutive equation considering the effects of strain rate, temperature and the special microstructure of such a kind of W-alloy was proposed. The numerical simulation for the experimental process with this constitutive equation was also carried out, the results show that the constitutive relationship constructed in this paper is very satisfactory for representing the dynamic responsive behavior of material..

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。

电磁微成形技术研究进展

随着塑性微成形特征尺寸进一步缩小,材料种类不断扩大,单纯依靠模具施加载荷的方法已经越来越难以制备出满足尺寸精度和使用性能要求的微型三维构件,亟需探索新的塑性微成形新原理、新方法和新工艺。电磁微成形技术是一种利用载流导体在磁场中受到洛伦兹力而变形的高应变速率成形方法,能够有效克服微成形过程中成形性能下降、尺寸精度难以保障等问题,具有拓展塑性微成形应用领域的巨大潜力。首先从电磁成形技术的原理与特点出发,介绍了电磁成形过程中高应变速率效应对材料性能的特殊作用,然后综合分析了微成形过程中尺度效应对材料力学行为和成形性能的影响规律及相关机制,详细评述了电磁微成形技术在金属超薄板冲压以及金属表面微纳结构压印中的优势与不足,最后总结并提出了电磁微成形技术在理论和工艺方面所面临的机遇与挑战。

不同高温作用后混凝土劣化损伤性能

混凝土作为普遍使用的建筑材料,为进一步探索其在受到高温冷却后劣化损伤性能,使用∅74 mm大口径分离式霍普金森压杆对不同温度冷却处理后的C30混凝土材料进行动态力学性能试验,得到其不同温度后、不同应变率下的应力-应变曲线,并针对其动态抗压强度、损伤变量及破碎形态进行了探讨。结果表明:在100~200℃范围内,混凝土的动态抗压性能下降有限,但当温度达到400℃及以上时,其力学性能下降明显,破碎形态严重。过高的温度会对混凝土材料造成损伤,高温冷却会使混凝土产生应变软化效应,高应变率下混凝土材料也体现出了应变率强化效应。过多的裂缝扩展也一定程度上抑制了损伤变量的增长。在相同温度处理后,应变率越高会使混凝土试样破碎越严重。且过高的温度会加剧混凝土的劣化损伤。

压缩载荷下UHMWPE纤维复合材料层合板的力学性能与失效分析

为获得超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)纤维复合材料层合板在静、动态压缩载荷下的力学性能与失效模式,采用万能材料试验机和分离式霍普金森压杆对材料进行面外方向的压缩实验,获得了不同应变率下材料的应力-应变关系。通过扫描电子显微镜观察材料微观失效形貌,分析了材料的失效模式。结果表明,UHMWPE纤维复合材料层合板在应变率较低(6.7×10^(-3)-6.7×10^(−2)s^(−1))且相差较小时,无应变率效应;在高应变率(2.05×10^(3)~5.27×10^(3)s^(−1))下,材料具有明显的应变率效应。压缩强度随应变率的增加而增大,动态增强因子逐渐增大,具有明显的应变率强化效应。静态压缩载荷下,材料的主要破坏模式为纤维的拉伸、断裂;动态压缩载荷下,材料的主要破坏模式为纵向位错分层。

基于高速DIC的近场冲击下高强混凝土动态压缩性能研究

为了解近场冲击荷载作用下装配式预制桥梁结构高强混凝土材料的破坏特征及高应变率力学响应特征,采用100 mm大直径霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)对C60及C80两种高强度等级混凝土进行单轴冲击压缩试验。获得了混凝土的应力-应变曲线、动态弹性模量及动态增长因子等动态参数。利用高速数字图像相关(digital image correlation,DIC)技术对混凝土表面应变场进行研究,分析了试样破坏过程中裂纹扩展过程。试验结果表明:在高应变率下,高强混凝土试件的动态压缩强度呈现明显的率效应,但其弹性模量保持恒定;对数函数模型能够较好地表征混凝土的动态强度演化模式;宏观上可以将观察到的破坏模式划分为4种模式:完整试样、轴向劈裂、混凝土爆裂及粉碎;高应变率下,裂缝演化不稳定性增大,其扩展速率随应变率的增大而增大。

超高分子量聚乙烯纤维束低速拉伸下的应变率效应及其统计损伤本构关系

基于轴向拉伸实验研究超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维束低速下(包含准静态)应变率效应对其力学性能及破坏模式的影响,阐述了其弹-黏塑性特性和分子链断裂在纤维束变形过程中的贡献。在10^(-5)~3.3×10^(-2)s^(-1)应变率范围内,对UHMWPE纤维束进行5种不同应变率工况的拉伸实验,得到了各工况下的力学性能参数及应力-应变曲线。结果表明,UHMWPE纤维束的拉伸强度和失效应变与应变率之间分别存在指数增长和指数衰减关系,随着应变率的提升,二者的应变率效应逐渐削弱。室温下,UHMWPE纤维束具有较为复杂的力学行为,呈现2种不同的损伤特性,分别为黏弹性主导的宏观整体性脆性断裂和黏塑性主导极具韧性且包含蠕变的塑性变形。基于实验结果并结合现有文献结论,推断UHMPWE纤维束发生脆-韧转变的临界应变率在10-5量级。最后,根据实验数据拟合了计及应变率且包含修正项的纤维束低速统计损伤本构方程,通过与实测值对比,验证了该方程的准确性。

三维编织和角联锁复合材料的高速冲击响应

为了探究三维纺织结构复合材料高速冲击下应变率效应和结构效应,制备了碳纤维增强三维编织和三维角联锁复合材料,采用霍普金森压杆(SHPB)系统和高速摄影系统记录了三维编织和三维角联锁复合材料在高速冲击过程中应力应变曲线和渐进损伤过程。结果表明:编织和角联锁复合材料在高速冲击下都具有一定的应变率效应,并且都呈现剪切损伤,但编织复合材料呈现明显延性损伤而角联锁复合材料呈现明显脆性损伤。由于编织复合材料内部纤维束交织紧密,损伤后仍能承受一定载荷并且结构也能保持完整性,因此相较于三维角联锁复合材料,三维编织复合材料具有更好的抗冲击性能。

高应变率下建筑钢筋的本构模型

采用静力和高应变率试验系统。研究了建筑钢筋HPB235，HRB335和HRB400在静栽以及应变率为2～80S^-1下的力学行为．试验结果表明。建筑钢筋的力学性能呈应变率相关性．随着应变率的增大。建筑钢筋的屈服强度和极限强度提高，相比之下，屈服强度的提高幅度大于极限强度；屈服强度较低的钢种比屈服强度较高的钢种呈现更明显的应变率敏感性．经回归分析，给出了以钢筋力学性能特征值为基础的建筑钢筋模型和John-son-Cook模型中的参数．通过算例和已有的模型进行了比较．结果表明：所提出的模型反映了建筑钢筋的动力反应本质。并且可以用来描述应变率小于2S^-1时的建筑钢筋力学行为．

挤压铸造B_4C_p/2024Al复合材料力学性能研究

采用挤压铸造工艺制得粒径分别为25μm和50μm、体积分数为50%的两种B4Cp/2024Al复合材料。测试了复合材料的密度、硬度、抗弯强度、静态压缩强度、断裂韧度;采用霍普金森压杆装置研究了复合材料在高应变速率下的压缩强度。研究结果表明,50%B4Cp/2024Al复合材料的密度约为2.7g/cm3,硬度(HRA)为60;25μmB4Cp增强的复合材料抗弯强度为527MPa,断裂韧度KIC达到13.56MPa.m1/2,而静态压缩强度为797.5MPa,其性能显著高于50μm粒度B4C增强的复合材料。细颗粒增强的复合材料动态压缩强度高于粗颗粒增强的复合材料;应变相关的损伤演化使得复合材料表现出应变软化现象,相关损伤导致压缩强度呈现应变率不敏感甚至是负敏感特征。

泡沫铝动态力学性能的实验研究

本文主要利用分离式霍布金森压杆 (SHPB)对泡沫铝进行了三种应变率 (0 6× 10 3 s、1 0× 10 3 s和 1 9× 10 3 s)动态压缩实验。实验结果表明 :泡沫铝的动态应力 应变曲线也具有泡沫材料的动态应力 应变曲线的“三阶段”特征 ,并且应变率对其影响明显 ,流动应力随着应变率的增加而增加 。

高温后砂岩动力特性应变率效应的试验研究

利用MTS652.02高温炉与φ50 mm分离式霍普金森压杆（SHPB）试验系统,对800℃加热后的砂岩试样进行单轴冲击压缩试验,分析17.904~62.600 s-1应变率范围内砂岩动力特性的变化规律。结果表明：800℃后砂岩动态应力-应变曲线大致经历压密、近似线弹性变形、微裂纹演化、裂纹非稳定扩展、应变软化以及卸载6个阶段;随着应变率提高,砂岩动态弹性模量、峰值应力随应变率的提高基本呈对数形式逐渐增加,峰值应变近似呈对数形式逐渐降低;较低应变率下,砂岩破坏为典型的张拉破坏,随着应变率的升高,剪切破裂面所占比例逐渐升高,砂岩破坏型式具有从张拉破坏向剪切破坏的变化趋势;800℃热处理后,砂岩破坏程度随应变率的提高逐渐提高,并且高应变率下破坏程度的应变率敏感性更加显著。

考虑加载历史的约束混凝土动力本构模型

客观描述高应变率作用下的约束混凝土的力学行为需要考虑加载历史.将具有该特点的Eibl和Schmidt-Hurtienne混凝土动力模型推广,使之适用于约束混凝土.采用四段式约束混凝土单轴受压应力-应变曲线,以确定模型中的静力损伤发展;利用混凝土动力试验结果并通过数值迭代,给出约束混凝土动力损伤延迟中参数的确定方法,从而得到了模型中的动力损伤延迟.算例表明,给出的方法可以较客观地描述一定范围应变率作用下约束混凝土的力学行为.

45钢柱壳膨胀断裂的应变率效应

采用前照明高速分幅照相技术拍摄到在爆轰加载下45钢柱壳表面裂纹生成、扩展及产物泄漏过程的清晰图像,较准确地测量了膨胀断裂的时间与应变。45钢柱壳在炸药爆轰加载下,断裂应变随应变率的增加而增加,当应变率达到一定值,断裂应变随应变率的增加而降低,出现了动态断裂中的塑性峰现象。

高温下混凝土动态压缩行为细观数值研究

结合混凝土细观非均质性,考虑高温下细观组分力学性能退化效应及率效应的影响,建立了高温作用下混凝土动态压缩破坏行为及应变率效应研究的细观尺度数值分析模型。首先对混凝土热传导行为进行模拟,进而将“结果输出”作为“初始条件”对混凝土动态力学行为进行细观模拟,模拟与已有试验结果的良好吻合验证了数值方法的可行性及准确性。在此基础上,研究了高温加热后混凝土动态单轴压缩破坏行为及细观破坏机制,揭示了高温作用对动态压缩强度放大系数的影响规律。结果表明:高温加热后,混凝土动态冲击破坏集中在力学性能薄弱的加载端;相比于应变率效应,温度退化效应对混凝土力学性能(如强度、割线模量)影响更为显著。

高应变率下颗粒增强复合材料动态力学行为

针对巡航导弹攻击地下目标过程中,在非预定目标深度出现战斗部颗粒增强复合材料装药提前起爆现象,研究颗粒增强复合材料装药在不同高应变率下的动态力学响应。基于改进的SHPB试验技术,实现常应变率加载及试件均匀变形,确保试验数据的可靠性,结合试验研究结果探索应变率效应对颗粒增强复合材料动态力学响应的影响规律,将应变与损伤变量耦合,揭示应力-应变比与颗粒增强复合材料弹性损伤的内在关联。结果表明:颗粒增强复合材料在高应变率为(400~2 200)s-1加载条件下的动态力学响应曲线呈非线性关系,具有明显应变率效应,随应变率的增大,应变强化效应由上凸特性转变为线性关系;结合有效应力及应变等效关系,将应变与损伤变量耦合,可描述颗粒增强复合材料在不同加载时期内损伤变量与轴向应力-应变比值之间的关系。

一种确定岩石类材料真实应变率效应的数值方法

研究表明,分离式霍普金森压杆(SHPB)试验获得的岩石类材料动态压缩强度随着应变率的增加而提高实际上是由材料本身的应变率效应(称为真实应变率效应)、横向惯性效应和端面摩擦效应共同作用的结果,且这3种效应互相耦合。为了确定岩石类材料在SHPB试验中的真实应变率效应,需要消除横向惯性效应和端面摩擦效应作用引起的动态压缩强度增量。采用数值模拟的方法分析岩石类材料的SHPB试验,并假定材料的真实应变率效应、横向惯性效应和端面摩擦效应三者不相关。当不考虑材料的真实应变率效应和端面摩擦效应时,由数值SHPB试验获得的动态压缩强度随应变率的提高而增大便是仅由岩石试样的横向惯性效应引起的;同样的,当不考虑材料的真实应变率效应和横向惯性效应时,由数值SHPB试验获得的动态压缩强度增加便是仅由岩石试样的端面摩擦效应引起的。在此基础上,从SHPB试验中得到的动态压缩强度数据减去分别由横向惯性效应和端面摩擦效应引起的动态压缩强度增强量,即可获得岩石类材料在SHPB试验中的真实应变率效应。通过与已有研究结果比较验证了本文假设的有效性。

应变率效应对600 MPa级高强钢筋混凝土框架结构抗震性能影响研究

为了更真实地进行钢筋混凝土结构抗震性能评估,应该考虑材料的应变率效应影响。600 MPa级高强钢筋作为新一代建筑钢材,尚无考虑应变率效应影响的600 MPa级高强钢筋混凝土框架结构抗震性能研究。首先进行了不同应变率下600 MPa级高强钢筋拉伸力学性能试验,利用试验数据拟合得到600 MPa级高强钢筋在不同应变率下的强度提高系数表达式,并利用OpenSees软件进行了配置600 MPa级高强钢筋混凝土框架结构抗震性能模拟分析,研究了应变率效应对框架结构抗震性能的影响。研究结果表明:随着应变率的增大,钢筋的屈服强度和极限强度均得到提高,屈服强度最大提高11.5%,极限强度最大提高8.9%;随着所考虑的材料应变率增加,配置600 MPa级高强钢筋框架结构最大顶点位移总体上呈减小趋势,地震波强度越强,应变率效应影响越大,而层间位移角减小幅值相差不大。研究成果可作为600MPa级高强钢筋混凝土框架结构抗震评估的依据。

混凝土高温动态劈拉行为细观数值分析

为研究高温作用下混凝土的动态劈裂拉伸破坏行为,考虑了力学性能的高温退化与应变率增强效应的联合作用,结合混凝土材料内部非均质性,建立了细观尺度数值分析模型与方法。将该数值方法分为两个步骤:首先对混凝土进行热传导行为模拟,进而将输出结果作为初始条件对混凝土动态劈裂拉伸行为进行细观模拟。在模拟结果与已有试验现象良好吻合的基础上,分析了高温下混凝土动态劈裂拉伸行为及其细观破坏机制,对比了不同应变率及加热温度下混凝土的劈裂拉伸应力-应变关系,揭示了混凝土应变率效应与温度退化效应的相互影响规律。研究结果表明:(1)高温作用后,试件损伤区域较常温下更集中;(2)名义应变率较大时,破坏过程急促,常温下骨料发生破坏,而经历高温后骨料基本没有破坏;(3)由于混凝土试件细观结构的非均质性,其内部应力呈枣核状不连续分布;(4)相比于应变率效应,混凝土劈裂拉伸强度受温度退化作用的影响更显著。

[001] 取向 DD100 单晶合金高温慢拉伸断裂行为研究

通过对单晶［００１］取向的慢拉伸断裂行为研究发现，与真空中相比，空气中氧对单晶７６０℃温度下慢拉伸性能以及８５０℃温度下慢拉伸强度影响不大，但使８５０℃时单晶的延性下降；氧的存在不影响单晶的断裂方式，而改变单晶拉伸试样表面裂纹的扩展；空气中慢拉伸断口的主裂纹源位于断口边缘，而真空中主裂纹源则位于断口中间部位；无论是真空还是空气中，慢拉伸断裂为多源开裂，断口中存在（００１）方形结晶面包围的孔洞。