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。

Al_2O_3陶瓷的动态响应特性及Hugoniot本构关系研究

利用VISAR系统测量技术和Lagrange测量技术,研究YB AD90陶瓷的动态响应特性,给出了该材料的Hugoniot弹性极限σHEL,动态屈服强度及各实验点的Hugoniot状态量。结果表明:YB AD90陶瓷的Hugoniot形变过程是一个典型的弹塑性形变过程;当冲击应力在σHEL为11.0GPa附近的范围内,此材料在塑性区的压缩特性表现出较明显的弥散行为。由实验结果拟合得到了材料的应力σ和比容V关系的拟合曲线及一个比较简单的应力σ和比容V的Hugoniot动态本构关系。

基于J-C模型的Q235钢的动态本构关系

采用万能材料试验机、分离式霍普金森压杆和拉杆系统,研究了Q235钢在常温至900℃的准静态和动态压缩及拉伸力学性能。基于实验结果,修正了Johnson-Cook(J-C)本构模型中的温度软化项,提出了Q235钢的修正J-C本构模型,并利用Taylor撞击实验和数值仿真验证了其动态本构关系。

不同饱水度红砂岩静态本构关系及动态力学性能研究

基于电液伺服压力试验机和φ100 mm SHPB试验平台,分别对四种饱水度红砂岩试样进行静态压缩试验和六种应变率的动态冲击试验;借鉴宏观唯象损伤力学概念及Lemairte损伤模型,依据不同饱水度红砂岩静态压缩试验结果,拟合得到分段式水软化-应变损伤本构关系,最后利用所得本构关系,对静态压缩试验结果进行合理分析;SHPB冲击试验结果表明:(1)各饱水度红砂岩均呈现出明显的应变率效应,峰值应力、峰值应变及峰值模量均随着应变率的增大而增大;(2)在水-岩-力的响应体系中,既存在水对岩石的软化作用,同时又存在应变率、孔隙水以及岩石结构之间的动力耦合强化作用,这两种作用始终存在,但随着应变率的变化,两种作用的效能发挥有所浮动,进而影响红砂岩所呈现出的性能。

5A06铝合金的动态本构关系实验

运用材料试验机和分离式霍普金森压杆装置（SHPB）对3种不同加工及热处理状态的5A06铝合金在常温～500℃、应变率为10^-4～10^3s^-1下的力学行为进行了实验研究。基于Johnson-Cook（JC）本构模型，通过实验数据拟合得到了每种状态下材料的本构模型参量。对Johnson-Cook本构模型中的应变率强化项作了修正，修正后的Johnson-Cook本构模型与实验数据基本吻合，从而确立了3种状态下5A06铝合金的动态本构关系。

Bukit Timah花岗岩的动态本构关系

用预埋于不同位置的压力探头，监测冲击产生的平面应为波在岩石试件中的应力历史波形。对应力波经过Lagrange分析得到BukitTimah花岗岩的动态本构关系。在一维应变状态下，BukitTimah花岗岩的应力依赖于瞬态应变和应变率，以及波动过程的应变率历史。

船用907A钢的动态力学性能和本构关系

为了得到船用907A钢的动态力学性能及本构关系,运用静态试验机及分离式Hopkinson压杆加载装置,在应变率为0.000 33~2 680 s-1范围内得到了准静态拉伸及动态压缩条件下的应力应变曲线,对比了Cowper-Symonds模型和Johnson-Cook模型,并基于CS模型对应变硬化效应进行了修正。结果表明,船用907A钢具有明显的应变率强化效应和非线性应变硬化效应;CS模型比JC模型更能准确描述其应变率强化效应。

基于Johnson-Cook模型的TC16钛合金动态本构关系

利用Instron液压实验机和分离式Hopkinson压杆动态加载实验，在温度为298～773K、应变率为0．001～15550／s范围内得到TC16钛合金的准静态拉伸及动态压缩条件下的真应力-真应变曲线，并基于Johnson-Cook模型对其进行拟合分析。提出拟合Johnson-Cook方程的简便方法：即引入材料应力-应变曲线发展趋势项，避免对材料绝热温升的估算。结果表明：真应力随应变速率的增加而增加，随温度的增加而降低；当应变速率为10^5／s及温度高于673K时，材料此时的真应力低于准静态下的真应力；获得TC16动态本构关系，能较好地预测TC16钛合金的流变应力。

冲击载荷下混凝土材料的动态本构关系

利用改装的杆径为 74mm的直锥变截面式大尺寸Hopkinson压杆对混凝土材料进行冲击压缩实验 ,系统研究了混凝土的应变率硬化效应 ,采用一种新的方法———“损伤冻结”法对混凝土材料在冲击载荷下的损伤软化效应进行了系统研究 ,给出了冲击载荷下混凝土的损伤演化方程 ;在对数据进行合理分析的基础上 ,结合粘弹性本构理论 。

一种新形式的钢纤维混凝土冲击动态本构关系及材料参数的确定

采用■75mm大口径SHPB系统进行了钢纤维体积率为0%、0.75%、1.5%三种混凝土材料动态性能实验,得出了不同钢纤维含量、不同应变率下的材料应力-应变关系曲线,实验结果表明:随着纤维含量及应变率的增加,钢纤维混凝土材料的峰值应变、峰值应力都随之提高,并在峰值应力之后出现应力的应变软化现象。以此实验结果为基础,提出了一种依赖于应变和应变率相关函数的新型非线性黏塑性动态本构关系,并通过对实验曲线的三步逐次最小二乘优选模拟,得到了相应的材料参数。结果表明,该本构关系对实验数据的模拟效果较好。

MB_2镁等四种金属材料的本构关系和动态断裂研究

采用炸药爆轰－分离飞片加载装置与电容传感技术相结合，由高速示波器连续记录靶板自由面速度剖面，通过波剖面的时间分辨测量，研究了ＭＢ＿２镁、ＬＹ－１２铝、钨合金、２１６９钢四种金属材料的动力学响应特性，给出了这几种材料在弹性－理想塑性模型假设下的本构关系，还给出了它们的动态断裂强度，并对标准化层裂强度与破坏比功、屈服强度之间的相关性进行了分析和讨论。

强冲击载荷下混凝土动态本构关系

利用一级轻气炮对混凝土靶板进行冲击压缩试验,测量出不同冲击速度下的压力-时间信号曲线。采用拉氏分析方法对实验数据进行分析,得到了流场中各力学量沿时-空的分布规律,从而得到混凝土材料应力-应变试验曲线。在试验研究及拉氏分析的基础上,分析混凝土材料在强冲击载荷下的动态本构特性。最后,结合损伤率型演化和粘弹性理论,建立了混凝土材料的损伤型粘弹性本构方程。数值拟合表明理论预示与试验吻合良好。

浮法玻璃应变率相关的动态本构关系

采用改进的SHPB(分离式Hopkinson压杆)技术测试了较高应变率范围内浮法玻璃的动态应力-应变曲线,探讨了其动态力学性能.结果表明:浮法玻璃为弹脆性材料,其动态应力-应变关系呈非线性特征.在较高的应变率范围内,浮法玻璃动态应力-应变关系与应变率相关,其弹性模量随应变率的增大而增大.基于损伤力学的基本理论,并根据SHPB测试结果,拟合得到了浮法玻璃应变率相关的动态本构方程.

基于分形理论的高强混凝土动态损伤本构关系

基于高强混凝土(HSC)试块在SHPB冲击实验中的分形损伤演化规律,推导了HSC的分形损伤变量表达式,标定了HSC裂纹的分形维数范围。然后参考ZWT模型,并结合HSC实验过程中的应变率相关性、动态损伤特性及近似恒应变率,推导了分形损伤演化的HSC动态损伤本构方程。采用4组应变率工况下的C60、C80混凝土应力-应变曲线对本构方程进行验证,理论曲线和实验曲线吻合较好。

水泥砂浆动态轴向拉伸本构关系试验研究

针对混凝土的重要组成材料水泥砂浆,在MTS试验机上对其进行不同应变速率、不同预静载下的冲击加载以及变幅三角波荷载下的动态轴向拉伸系列试验。试验结果表明:①砂浆的抗拉强度随应变率变化敏感性较强,在10-6～10-2 s-1应变率范围内,强度可提高2倍以上;②弹性模量随应变率增加成比例增长,但幅度不大;③峰值应变随应变率的提高有所提高,但离散性较大。极限应变值没有明显率敏感性;④由应变片值获得的名义轴拉应力应变曲线可简化为三段折线,上升段可近似看为直线段,下降段可看成两段折线,卸载至约25%强度时,出现拐点,应变约为200με;⑤65%以下预静载没有对砂浆的动载强度产生不利,反而有所增强;⑥在加载上升段进行地震作用频率范围的往复加载,对水泥砂浆造成的损伤累计较小。

Fe-36Ni高温高应变率动态力学性能及其本构关系

为研究Fe-36Ni因瓦合金的动态力学性能及其本构关系,在20～800℃和10-3～104 s-1的应变率内,采用电子万能试验机和高温分离式霍普金森压杆分别对Fe-36Ni因瓦合金进行准静态实验和动态压缩实验,得到其高温、高应变率下的应力-应变曲线.结果表明,Fe-36Ni因瓦合金的流动应力表现出较强的应变率和温度敏感性,随着应变率的增大而增大,随着温度的升高而减小.采用改进应变率项和温度项的Johnson-Cook本构方程拟合了Fe-36Ni因瓦合金在高温、高应变率下的动态塑性本构关系,拟合结果与试验数据吻合很好.

淬硬45钢在高温、高应变率下的动态力学性能及本构关系

在20℃～800℃的温度范围和10^-3～10^4s^-1。的应变率范围内，采用电子万能试验机和分离式霍普金森压杆，对淬硬45钢（45HRC）分别进行准静态实验和动态压缩力学性能实验，得到应力应变曲线。结果表明：淬硬45钢的流动应力对应变率敏感性一般，但表现出较强的温度敏感性，随着应变率的增大而增大，随着温度的升高而降低。采用以高斯函数表示温度效应的改进Johnson-Cook本构方程拟合了淬硬45钢在高应变率和高温条件下的本构关系，拟合曲线与实验数据吻合较好。

基于动态蠕变实验的沥青混合料本构关系研究

沥青混合料应变在一定温度和外荷载作用下会随着时间增长而逐渐增加的现象称为蠕变;重复加载蠕变实验反映了路面荷载和变形的响应关系,常用于分析路面高温抗车辙性能。为了真实模拟路面的力学状况和描述沥青混合料的动态蠕变性能,对四种沥青和两种沥青混合料进行动态蠕变实验;研究发现沥青混合料的动态蠕变呈非线性,同时采用经典Burgers模型与由Maxwell体和分数阶Kevin体串联组合的分数阶导数Burgers模型对沥青混合料蠕变曲线进行拟合,并对比分析其拟合结果。结果表明,分数阶模型参数a代表了材料的记忆特性,分数阶导数Burgers模型可定量的描述沥青混合料动态蠕变性能的非线性,能更好的分析其高温性能。

碳化钨合金的动态本构关系研究

利用改进的霍普金森压杆实验方法对一种新型碳化钨合金进行了动态压缩加载实验,获取了从200到510 s-1应变率碳化钨合金的应力-应变曲线,得到了本构模型参量。结果表明,碳化钨合金属弹脆性材料,随着应变率由200增加至510 s-1,最大应变值由0.008逐渐增加至0.026,但应力峰值均约为2.10 GPa;采用一维弹脆性损伤本构模型,对实验数据进行了拟合,拟合曲线和实验曲线吻合良好。

高导无氧铜动态本构关系对于单轴冲击拉伸下空穴增长和失稳的影响

对于高导无氧铜提出一种动态计算的空穴单元模型,由SHBP试验等得到的典型动态本构关系,用于描述空穴间基体的本构行为。此样本材料体积为一圆柱体,其中心包含一个椭球空穴,单元顶部施以轴向常速度加载。在不同应变率下,给出了采用J-C或Z-A本构关系的高导无氧铜中空穴增长到失稳的整个过程。文中讨论了空穴动态失稳的条件,并提出以空穴形状演化为判据。此判据导出与光滑杆冲击拉伸断裂应变一致的结果。计算结果显示,用J-C本构关系得出的空穴失稳早于用Z-A本构关系得出的空穴失稳,计算得出的空穴形状演化与准静态半经验公式估算的空穴形状演化在空穴增长一定阶段基本一致,然而,随着空穴失稳的发生,半经验公式不能预测空穴的动态失稳。