绢云母石英片岩和砂岩的SHPB试验研究

利用液压伺服压力试验机和波形整形器改进后的φ100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,研究绢云母石英片岩和砂岩在50～160 s-1应变率等级下的准静态力学性能及其在不同冲击压缩荷载作用下的波形曲线、动态抗压强度、比能量吸收以及破坏形态的应变率效应问题。试验结果表明,绢云母石英片岩和砂岩的动态抗压强度、比能量吸收以及破坏形态均表现出显著的应变率相关性,但弹性模量的应变率相关性较弱。综合绢云母石英片岩和砂岩动态力学性能的对比结果可知,砂岩比绢云母石英片岩对应变率的变化更敏感。从材料的微观结构特征和能量吸收的角度对岩石动态破坏过程进行分析,探寻岩石破坏的本质。研究成果可为其他类型的脆性材料动态力学性能的研究提供参考。

SHPB试验中花岗岩破坏程度与能量耗散关系分析

为了研究花岗岩的应变率效应及其能量耗散与破坏程度之间的关系,利用分离式Hopkinson压杆装置(SHPB)对直径为74 mm的花岗岩试样进行了不同应变率下的单轴冲击压缩试验.试验结果表明,花岗岩动态压缩强度具有很明显的应变率效应;随着应变率的增大,单位体积耗散能增加,且近似呈线性关系,同时应变率也随着能量耗散率的增加而增大,但它们之间表现为非线性关系;花岗岩试样破坏程度与单位体积耗散能存在很好的一致关系,基本一一对应,而与应变率之间并不存在一一对应关系.且试样破坏程度和应变率之间并不存在一一对应关系,与强度随着应变率的增大而增大并不矛盾.

花岗岩在SHPB冲击破坏实验中最低加载应变率的杆径效应

基于Steverding-Lehnigk脆性断裂准则,分析了半正弦应力波加载条件下SHPB杆径尺寸与导致花岗岩试样单次冲击破坏对应的最低应变率之间的关系。采用杆径分别为22、36、50和75mm的SHPB实验系统对相应尺寸规格的花岗岩试样进行了应变率从高到低的冲击实验,讨论了花岗岩试样在单次冲击破坏情形下对应的最低应变率与实验杆径的相关性。理论和实验结果表明:岩石试样的最低加载应变率随着SHPB杆径的增大而以乘方关系减小,但当应变率低到100s-1量级时,Hopkinson杆径已超过100mm,增大Hopkinson杆径降低加载应变率的效果不再明显。

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。

岩石动态强度及其应变率灵敏性的尺寸效应研究

采用波长与岩石试件长度成比例的半正弦应力波加载方式,对长径比为0.5、直径分别为22,36,75 mm的花岗岩、砂岩和石灰岩试件进行不同应变率条件下的SHPB试验。试验结果表明:岩石动态强度随着应变率的增高近似以乘幂关系增大,呈现较强的率依赖性;试件尺寸越大,岩石动态强度对应变率依赖的灵敏性越显著,所测得的岩石动态强度离散性越小;在相同的应变率加载条件下,岩石动态强度随试件尺寸的增大而增加,与静载条件下岩石强度的尺寸效应相反;岩石动态强度的尺寸效应随着应变率的降低而减弱,并由此推断存在一个临界应变率对应着岩石尺寸效应的消失。低于临界应变率时,静载的尺寸效应占主导地位;高于临界应变率时,动态的尺寸效应占主导地位。

钢纤维活性粉末混凝土的动态力学性能

利用φ74mm SHPB实验装置对钢纤维活性粉末混凝土(RPC)进行动态压缩实验和动态劈裂拉伸实验。获得了钢纤维RPC在1～102 s-1应变率加载下的动态力学参数。对试件内的动态应力分布进行数值模拟,验证了动态实验的有效性。结果表明,钢纤维RPC的动态压缩和动态劈裂拉伸的力学性能均表现出显著的应变率效应。随着应变率的增加,钢纤维RPC冲击压缩破坏应力、冲击压缩破坏应变、弹性模量、动态劈裂拉伸破坏应力均有一定程度的增加,动态拉压比相对静态拉压比也有显著的提高。

不锈钢材料的动态力学性能及本构模型

利用带有温度调控系统的SHPB实验装置测定了0Cr17Mn5Ni4Mo3Al不锈钢在3种应变率(3001、000、2 700 s-1)、4种环境温度(25、300、500和700℃)下的应力应变关系;在液压伺服材料试验机(MTS)上进行了3种温度下的准静态(0.000 5 s-1)压缩实验。实验结果表明:该不锈钢有明显的应变率强化效应和温度软化效应,并且随着环境温度的升高,应变率强化效应减弱。对Johnson-Cook模型进行了修正,考虑了冲击过程中绝热温升引起的软化效应。修正后的Johnson-Cook模型与实验结果吻合较好。

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。

碱类型对地聚合物混凝土应变率效应影响的对比研究

采用经波形整形技术改进后的100mm SHPB实验装置开展了强度等级均为C30的NS激发矿渣粉煤灰基地聚合物混凝土(NaOH and sodium silicate-activated slag and fly ash based geopolymer concrete,NSSFGC)和NN激发矿渣粉煤灰基地聚合物混凝土(NaOH and Na2CO3-activated slag and fly ash based geopolymer concrete,NNSFGC)的动态压缩实验,并对比分析了在冲击荷载作用下的应变率效应。结果表明:NSSFGC和NNSFGC的峰值应力均随应变率的增加而越大。这表明,GC为应变率敏感材料;在动态压缩状态下,NSSFGC和NNSFGC的应变率敏感阈值分别为51.82、28.89s-1;GC的应变率敏感性强于普通混凝土;NN型激发剂更有利于发挥GC的整体强度特性。由此可知,NNSFGC的应变率敏感性明显强于NSSFGC。

ZrCuNiAlAg块体非晶合金动静态力学性能研究

采用万能试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)对Zr CuNiAlAg块体非晶合金的动静态力学性能进行了研究。结果表明:Zr CuNiAlAg块体非晶合金在准静态条件下,应变率对其压缩强度、弹性模量等影响不大;但从准静态到动态条件下,随着应变率的提高,应变率效应逐渐变得显著。Zr CuNiAlAg块体非晶合金在室温条件下呈脆性断裂特征,属于弹脆性材料,JH-2本构模型有望能很好的描述其不同应变率下的力学行为。