分离式Hopkinson压杆系统冲击压缩过程中试样的应力均匀化过程

分析了分离式Hopkinson压杆(SHPB)系统冲击压缩试验过程中试样的应力均匀化过程。结果表明:试样内的应力分布不均匀性在冲击压缩开始时最显著,随着时间的延长,应力分布渐趋均匀;在变形初期,应力分布不均匀主要表现为试样两端的应力水平不同以及应力-时间曲线的进程不同步且伴有较大振荡;用绝对不均匀度α(t)衡量试样内应力分布的不均匀程度,在α(t)-t曲线上存在一明显的转折点M,建议用M点对应的时间表示应力均匀化所需时间。

分离式Hopkinson压杆数据处理系统的研制

根据分离式Hopkinson压杆试验的一维应力波加载理论 ,运用VisualC ++6.0软件开发工具 ,编制了该类试验的后续数据处理系统。数据处理结果表明 ,该系统能有效地处理该加载系统上的动态拉伸、压缩。

基于激光干涉测试技术的分离式Hopkinson压杆实验测试系统

分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验的传统测试技术是基于应变片的电测技术,测试结果的可靠性强烈依赖于应变片与杆之间粘贴质量,受到人为因素的影响较大。本文中采用基于多普勒频移原理的双探头全光纤激光干涉测速技术,以粒子速度为监测目标,借助应力波传播理论,换算成试件的应变和应力,从而建立了SHPB实验的非接触光学测试系统。针对韧性和脆性两类材料,分别提出了激光正入射和激光斜入射两种测试技术。再以铝合金和PZT陶瓷为例,通过与传统的应变片测试结果以及DIC测量结果的对比分析,验证了两种测试技术的有效性。与传统的应变片测试技术相比,新的激光干涉测试技术具有免标定、抗干扰、可靠性高等许多优点,有助于实现SHPB实验测试系统标准化。

光纤Bragg光栅在分离式Hopkinson压杆实验中的应用

光纤Bragg光栅用于高频应变的测试是一个重要研究课题．文中介绍了其高频解调原理,探讨了光纤光栅传感器用于分离式霍布金逊压杆(SHPB)实验装置中应变测试的相关问题；推导了弹性杆中传播的应力波σ与传感光纤光栅中光波相位的变化量Δ(?)之间的关系式,进而建立了含有光纤光栅传感变化量的弹性杆应力波计算公式；构建了基于光纤Bragg光栅的动态应变测试系统,对中心波长分别为1550nm和1545nm的裸光纤光栅传感器以及应变片,两种传感器粘贴在被撞击弹性杆(输入杆)表面测试应变的情形进行了比较研究,给出了实验结果．研究表明,光纤Bragg光栅在高频动态应变测量中具有很好的应用潜力和前景,测试方法和结论对于光纤Bragg光栅在高频动态应变的实际测试中具有积极意义．

夹心杆系统中一维弹塑性波演化精细分析(Ⅱ):弹塑性交界面与平台段反射衰减

相对于入射波加载阶段透反射分析过程,入射波平台段持续时间长且弹塑性传播与演化行为复杂得多,此阶段试件内弹塑性波相互作用的影响非常明显。开展了矩形入射波作用下试件内弹塑性波的相互作用及其在两个界面上的弹塑性透反射行为计算,定量研究了夹心杆系统中反射波的衰减特征。结果表明:强入射波作用下,由于弹塑性波相互作用,试件内形成了曲线型弹塑性交界面,使透射端达到屈服状态的时间明显提前,该弹塑性交界面以大于弹性声速的速度向反射端变速传播;在塑性阶段,反射波的衰减是试件截面积增大引起的广义波阻抗增大和压缩引起的塑性波往返次数增加两个方面导致的衰减量之和。计算显示,试件的密度变化虽然明显影响其波速和广义波阻抗,但两个方面引起的衰减量之和正好接近于零,使得密度变化对透反射波平台段变化的影响可以忽略;塑性模量的增大使得反射波在平台端衰减更快,而试件直径对反射波衰减速度的影响并不是单调的,从4 mm增大到10 mm,反射波衰减速度增大,但增大到12 mm后衰减量反而有所减小。研究结果可为分离式Hopkinson压杆试验透反射波形的深入分析以及精细化试验设计与数据处理提供参考。

光纤位移干涉仪的研制及其在Hopkinson压杆实验中的应用

为了满足爆炸冲击作用下结构体动态变形过程测试的需要,基于激光多普勒效应和外差技术,采用单模光纤器件、声光移频器(AOM)和高带宽光电转换器研制了一套可辨别速度方向的参考光调制式光纤位移干涉仪,它具有结构简单、动态响应快以及非接触式测量的优点。采用短时傅里叶变换算法编写了数据处理程序,并在Hopkinson压杆上进行了实验研究,获得了36.82 m/s的峰值速度,并对速度波形与应变片测量获得的结果及应力波理论计算结果进行了对比分析,验证了系统的可行性。钢筒爆炸实验获得了壁面振动的正负速度历程,验证了系统可以辨别物体运动方向。

Hopkinson压杆对准脆性材料的动态力学实验研究

分离式Hopkinson压杆是对准脆性材料实施高速加载的理想工具,利用该装置可以对准脆性材料实施各种加载方式,测定材料的动力特性参数。对分离式Hopkinson压杆装置的测试原理做了扼要说明,简单介绍了目前用于准脆性材料的测试方法(压缩实验方法和拉伸实验方法),并结合目前的测试技术,对准脆性材料的实验方法提出了一些新的设想。

考虑围压效应的冻结砂土动态本构模型研究

为描述主动围压作用下冻结砂土的动态力学特性,通过在朱-王-唐模型的非线性体上串联塑性体,建立了能够考虑围压效应的冻结砂土动态损伤本构模型;分析了损伤参数对应力-应变曲线特征、屈服点、峰值应力和峰值应变的影响规律,基于冻结砂土动力学试验数据确定了模型参数;通过将模型和试验数据进行对比,并对不同试验条件下模型的预测误差进行分析,验证了模型的适用性和准确性。结果表明,损伤参数对应力-应变曲线弹性阶段和屈服点无明显影响,而对塑性阶段和破坏阶段的影响较为显著,本构模型预测的应力-应变曲线与试验结果具有较好的一致性。模型能够预测围压引起冻结砂土塑性阶段占比大和屈服点明显的特征,且能够描述围压对冻结砂土动态强度的增强效应;不同负温和主动围压条件下,模型对峰值应力和屈服强度的预测效果优于峰值应变和屈服应变。

分离式Hopkinson压杆试验技术的介绍

目前分离式Hopkinson压杆试验技术的用途越来越广泛,其已经成为确定材料在高应变率下动态力学性能最简便有效的试验方法。简单回顾了分离式Hopkinson压杆试验技术的发展历史,介绍了分离式Hopkinson压杆的组成及试验原理,简单讨论了弥散效应、界面的摩擦效应、波动效应等影响试验的几个技术问题,阐述了高应变速率力学试验标准的现状。动态测量的材料力学特性精度较准静态测量方法的精度差,且不同设备测量的数据离散性较大,建议规范分离式Hopkinson压杆设备的制造,建立更为详细统一的试验标准体系。

循环冲击作用下冻融红砂岩动力学特性与损伤机理

为探索循环动力扰动作用下冻融岩体的强度和变形特性及损伤机理,开展了两种冲击气压下冻融红砂岩的循环冲击试验,研究了循环冲击次数和冻融次数对应力波传播、动态应力-应变曲线、峰值应力和峰值应变的影响规律;基于Lemaitre应变等效原理,提出了能够综合考虑循环冲击和冻融影响的累积损伤因子的计算方法,分析了冻融和循环冲击作用后红砂岩的微观结构特征。结果表明:循环冲击荷载下不同冻融次数处理后的红砂岩试样均呈拉伸破坏模式;红砂岩试样可承受的循环冲击次数与冻融次数呈负相关,冻融75次后试样在首次冲击后即达到破坏状态;循环冲击次数主要影响透射波的起跳点、峰值点对应的横坐标和振幅以及反射波的振幅,而冻融循环次数对第一次冲击时透射波的起跳点、峰值点对应的横坐标和振幅影响较大;红砂岩试样累积损伤因子与动态峰值应力呈现较好的负相关变化规律;冻融和循环冲击复合作用后红砂岩内部裂纹沿颗粒边界扩展且与孔洞连接形成较为复杂的网络。

SHPB系统圆柱形试件的惯性效应分析

在对分离式Hopkinson压杆 (SHPB)实验系统试件惯性效应分析的基础上 ,增加了界面摩擦做功对试件惯性效应影响的分析 .在理论分析的基础上 ,就如何减小摩擦效应、惯性效应对实验结果的影响 ,对SHPB试件尺寸比例的设计以及摩擦系数的选取作了进一步的分析 ,另外还对SHPB实验过程中 ,试件两端应力平衡情况做了初步的讨论 .

花岗岩和混凝土在单轴冲击压缩荷载下的动态性能比较

采用黄铜波形整形器改进后的分离式Hopkinson压杆装置,分别对花岗岩和混凝土试件进行不同应变率(101～103)s-1下的单轴冲击压缩试验,有效地减少传统Hopkinson压杆试验中,岩石类脆性材料在内部应力达到均衡之前过早破坏以及输入波的高频震荡给试验数据带来的波动性。试验结果表明,应变率不仅影响这2种岩石类材料的强度,而且也影响材料的破碎程度和破碎形式,但对材料的初始弹性模量、破坏应变以及能量吸收率影响不大。从花岗岩和混凝土材料的微观结构特征和能量吸收能力等方面,对比分析这2种材料动态性能的共同特点和相互差异,合理地解释试验现象。该方法与结论对其他类型的脆性材料的动态性能研究具有一定的参考价值。

围压与温度共同作用下盐岩的SHPB实验及数值分析

在自主研制的可进行围压和温度共同加载的分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置TSCPT-SHPB基础上,对盐岩在5～25 MPa围压作用下的轴向动力性能以及盐岩在40℃～80℃,0.0～0.5 MPa围压下进行实验研究,分析围压和应变率对盐岩在围压作用下轴向抗压强度动力增长系数(DIF)的影响,以及温度和围压对盐岩动态力学性能的影响。结果表明:在动态作用下,围压对盐岩延性的提高有显著影响;盐岩属率敏感性和温度敏感性材料,其峰值强度随应变率的提高而提高,在低围压下的提高幅度比高围压下显著,并得到实验范围内盐岩材料动力增长系数(DIF)与围压和应变率关系的表达式;在高应变率(400 s-1)条件下,盐岩的动态峰值强度随温度的升高而降低,并依据实验数据,拟合得到峰值强度在各实验温度下随围压变化的计算公式。为考虑应变软化效应,对ABAQUS有限元软件中的Drucker-Prager模型进行改进,并基于单向动态围压下的实验数据拟合的计算参数,对盐岩TSCP-SHPB实验进行数值模拟,模拟结果与实验结果吻合较好。

被动围压条件下岩石材料冲击压缩试验研究

为研究煤矿岩石材料被动围压条件下动态力学性能和变形破坏规律，利用50mm变截面分离式Hopkin-son压杆（SHPB）试验装置，对45＃钢质套筒环向约束状态下煤矿岩石试件进行了不同加载速率冲击压缩试验。试验结果表明：被动围压条件下SHPB试验中，岩石试件的材料延性和抗破坏能力均得到增强，试件轴向应力是采用同种加载条件无围压SHPB试验时的1．2倍，破坏应变比无围压SHPB试验提高2～3倍，且径向应力随轴向应变增大总体呈上升趋势，试件破坏为压剪破坏模式，与无围压SHPB试验有所不同。

人工冻土围压SHPB试验与冲击压缩特性分析

利用分离式Hopkinson压杆(SHPB),以铝质套筒作为围压装置,分别研究温度为-8、-12、-16℃在不同应变率下的人工冻结黏土围压状态变形特征和轴向动态应力-应变关系。研究结果表明:在围压状态下,冻土呈黏塑性破坏特征;当人工冻结黏土温度为-16℃、平均应变率分别为410、457、525、650、827 s-1时,其最大应力分别为10.76、12.18、14.27、20.24、23.34 MPa,最大应变分别为0.081 7、0.097 2、0.105 0、0.131 0和0.166 0,表现出较强应变率效应;-12℃和-16℃时在应变率为457 s-1下的最大应力分别为8.28 MPa和12.18 MPa;当应变率相同时,温度越低,最大应力越大,冻结黏土表现出较强的温度相关性。人工冻土的动力学特性为冻土开挖方法的研究提供依据。

HMX单晶的动态力学行为及断裂失效机理

为研究含能单晶的断裂力学行为,对含能HMX单晶进行动态单轴压缩实验。采用丙酮溶剂培养出单边尺寸大于3mm的大单晶,采用抛光机将不规则的单晶研磨成可用于分离式Hopkinson动态压杆实验的尺寸为?5.3 mm×2 mm的圆柱体。以2 000 s^(-1)速率对样品进行加载并配合高速摄影获取其加载过程中的力学响应图像。实验结果表明:在高应变率加载条件下HMX呈脆性断裂状态,样品在10μs时应力达到最大值;单晶颗粒碎裂后存在大量的解理断口,碎片主要集中于粒径10~1 000μm的小颗粒;破碎后的炸药,细观上不再连续,在进一步的加载过程中,碎片之间的接触面容易形成热点。

Barre花岗岩动态压缩破坏特性研究

利用修正的分离式Hopkinson压杆(SHPB)系统,对Barre花岗岩(Barregranite,BG)圆柱形试样进行高应变率单轴压缩试验。根据各向异性BG试样3个主轴方向将试样分为X向(P波速度中等),Y向(P波速度最低)和Z向(P波速度最高)。试验过程中,采用组合型整形器(黄铜+橡皮)保证加载中的应力平衡,实现对试样的常应变率加载;利用单脉冲加载技术确保试样在试验过程中只受到1次动态载荷。得到试样3种破坏状态形态:未破坏、表面开裂以及完全破碎。对回收试样切片后的微观裂纹分布研究发现,裂纹随着加载应变率的提高而增多。试验测得BG三个方向不同加载应变率(70,100,130s-1)下的应力–应变关系,分析不同破坏状态下的应力–应变曲线形式。3个方向的试样均表现出应变率相关,最大承受应力随着应变率的增加。在较低和较高的加载应变率下,试样的最大承受应力与初始裂纹方向无关,呈现出各向同性。而在中间加载应变率下Y试样承受应力最大,这是因为BG初始裂纹面平行与XZ平面,在临界加载条件下裂纹扩张比较困难。

短切碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的高温冲击压缩力学性能

采用先驱体浸渍裂解法(即PIP法)制备出3种不同短切碳纤维(C_(sf))体积分数的圆柱形短切碳纤维增强陶瓷基复合材料(C_(sf)/SiC复合材料)试件,通过高温加热装置和自组装功能的霍普金森压杆装置对试件进行高温和动态荷载耦合作用下的冲击压缩试验,并通过扫描电子显微镜(SEM)观察C_(sf)/SiC复合材料断口形貌,对试件的破坏形态进行分析。试验结果表明,采用PIP法制备的C_(sf)/SiC复合材料试件中C_(sf)分布均匀,在外应力作用下C_(sf)/SiC复合材料试件发生破坏,碳纤维和碳纤维束与SiC基体脱粘被不断拔出。试件的抗压强度随C_(sf)体积含量的增加而呈现先增加后减小的变化趋势,C_(sf)体积含量为21%的试件抗压强度最高,为96.55 MPa。与常温相比,在高温压缩试验中随着复合材料试件平均温度的升高,C_(sf)/SiC复合材料试件破碎后的块度越来越大,整体性越来越好,当温度达到300℃时,C_(sf)体积含量对C_(sf)/SiC复合材料试件抗压强度的影响较小。

岩石类脆性材料动态压剪耦合特性研究

岩石具有复杂的细微观结构,其宏观力学性能表现出明显的加载路径敏感性和应变率效应。应用基于改进的SHPB装置,对花岗岩、大理岩和砂岩等三类岩石进行了五种倾角的准静态和动态压剪联合加载实验,较系统地讨论了与岩石应力应变关系曲线的拟线性阶段的斜率、破坏强度等有关的加载路径敏感性和应变率效应。结果表明:岩石的法向模量、切向模量和破坏强度都有明显的压剪耦合效应(即加载路径敏感性)和应变率效应;比较而言,法向模量对剪切应力的依赖性强于剪切模量对法向应力的依赖性。基于Drucker-Prager(D-P)准则和考虑压剪耦合效应的修正的DP准则拟合岩石的动静态破坏面,拟合结果表明:岩石的内黏聚力有一定的应变率效应,内摩擦角的应变率效应不明显;修正的D-P准则可以描述压剪耦合效应。并探讨了大理岩的后继屈服面和岩石应力应变关系的描述问题。此研究提供了一种确定岩石动态强度参数的方法,表明进行压剪联合加载实验研究有助于揭示复杂应力状态下岩石的动静态力学性能。

养护时间对胶结砂相似材料抗压性能的影响

为研究相似材料的合理养护时间、缩短物理相似模型试验周期、加快模型试验进度,对4种不同配比的胶结砂相似材料试件实施3种养护时间下的静态单轴压缩试验,并采用分离式Hopkinson压杆装置进行相应养护时间下的单轴冲击压缩试验。研究表明,随着相似材料中胶结材料水化反应的进行,4种配比胶结砂相似材料的静、动态单轴抗压强度和纵波波速均随养护时间的延长而增加;且7 d到14 d增长速率较快,14 d到21 d增长速率较慢,合理的模型材料养护时间为14 d。在本次试验应变率条件下,胶结砂相似材料抗压强度动态增长因子和动态峰值应变随养护时间的延长而逐渐降低。砂灰比越小,相似材料中胶结材料越多,其静、动态单轴抗压强度越高,其抗压强度动态增长因子越小。