研究混凝土材料动态力学性能的实验技术

采用波形整形技术、万向头技术和应变直接测量技术测量了混凝土材料的动态应力-应变曲线;通过损伤"冻结"试验及相应的MTS静态试验研究了混凝土材料的损伤演化规律;利用Hopkinson压杆技术直接测得层裂信号,进而可确定混凝土材料的层裂强度.

惯性对多孔金属材料动态力学行为的影响

对泡沫金属材料的力学性能已经进行了十分广泛的研究,但在对泡沫金属的应变率效应和惯性效应的研究中,尚存在一些矛盾的结论。为进一步认清惯性在多孔金属动态响应中的作用,用有限元计算方法模拟了二维Voronoi蜂窝的动态压缩行为,得到了不同速度下Voronoi蜂窝的3种变形模式。通过改变基体材料的密度和冲击速度进行"数值实验",得到了相应"试件"的由冲击面和支撑面得到的宏观平均应力应变曲线和平台应力。根据数值模拟的结果,着重分析了惯性效应的影响。研究发现,惯性并不影响蜂窝的应力应变曲线,但它导致试件中宏观变形不均匀,是平台应力提高的主要原因。

用于测量材料高温动态力学性能的SHPB技术

讨论了高温下分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验的两种方案:单独加热试样并快速对杆与同时加热试样和杆再修正温度梯度的影响。前者避免了杆被加热但是操作复杂,后者简单稳定。为了分析后者温度梯度的影响设计了一个简化模型,采用数值计算进行修正,提出了精度适当的假设,并且进行了实验验证。测量了试件和杆一起加热时杆上的温度分布,证实计算采用的温度分布是合理的。据此得到的专用于材料高温动态力学性能测试的SHPB数据处理公式简单实用,便于推广使用。

氧化石墨烯改性水泥基注浆材料的制备及力学性能研究

氧化石墨烯凭借较高的比表面积和独特的片层状结构,具有优异的理化性能。为获得高性能的水泥基注浆材料,通过引入不同掺杂量(0.00,0.02%,0.04%和0.06%(质量分数))的氧化石墨烯,制备了改性水泥基注浆材料。采用XRD、SEM、FT-IR和力学性能测试等分析了氧化石墨烯的掺杂量对改性水泥基注浆材料晶体结构、力学性能和自收缩性能的影响。结果表明:氧化石墨烯的掺杂加速了水化反应的进行,提高了Ca(OH)_(2)的生成速率,同时减小了裂纹数量,增加了结构致密性;当氧化石墨烯的掺杂量为0.04%(质量分数)时,28 d的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度均达到了最大值,分别为59.80,14.70和1.89 MPa;所有注浆材料在水化前期收缩较快,20 h后收缩量进入了“平台期”,随着氧化石墨烯掺杂量的增加,改性注浆材料的自收缩性能抑制效果先增大后减小,当氧化石墨烯的掺杂量为0.04%(质量分数)时,改性注浆材料的自收缩量最小。

递进式凸轮加载的中等应变率实验技术

研制了一种可以实现多次加载的凸轮递进式中应变率压缩实验系统。该实验装置采用伺服电机驱动蓄能飞轮转动,后蓄能飞轮带动加载凸轮压缩加载杆的方法,实现对试样中应变率的压缩;同时在一级压缩即将结束时步进电机迅速推动蓄能飞轮贴近加载凸轮,实现多级压缩。试样的动态压缩载荷通过两侧杆上粘贴的应变片所记录的应变信号得到;试样变形过程通过激光干涉测速系统测得的试样两侧杆端的运动速度信号得到。以纸蜂窝试样为例,基于研制的中应变率实验系统,并结合高速摄影图片,研究了厚度10 mm、直径14.5 mm的纸蜂窝试样在应变率3.5 s^(−1)下的动态压缩力学性能,得到了单级压缩和两级压缩过程中纸蜂窝试样的应力-应变曲线和变形过程,并讨论了该实验系统的可靠性。此实验系统可以实现多级递进式中应变率加载;纸蜂窝试样在中等应变率下的峰值强度和平台应力对高应变率下的动态压缩实验数据和低应变率下的准静态实验数据进行了较好地衔接;试样的失效模式主要为准弹性变形后的外壁屈曲和面内剪切。

中等应变率下纸蜂窝结构的力学性能研究

应用新研制的中应变率实验装置结合激光干涉测速系统完成了纸蜂窝结构的动态加载实验,研究纸蜂窝结构在中应变率下的力学性能;结合高速摄影和数字图像相关方法,得到纸蜂窝结构的变形过程和动态失效机制,并采用数值方法进一步探究其动态失效机制。结果表明:纸蜂窝结构表现出明显的应变率效应;厚度为2.10 mm的纸蜂窝屈服强度明显低于其他3种尺寸,表现出异常尺寸效应,应力-应变曲线下降段也有较大差异。产生异常尺寸效应的主要原因是,随着试样尺寸的增大,纸蜂窝结构的破坏模式发生了变化。中应变率加载过程中,纸蜂窝结构的失效机制为破坏模式的转变—由面外壁屈曲破坏转变为面内剪切破坏。本研究还利用数值模型分析了胞元宽度的变化对结构力学性能的影响,该研究结果对于薄壁结构的优化设计具有很好的参考意义。

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。

变形模式对多孔金属材料SHPB实验结果的影响

利用两种改进后的Hopkinson杆实验分别测得多孔金属材料冲击端和支撑端的应力.实验结果及高速摄影表明,随着撞击速度的增加,试件两端的应力均匀性变差,分别对应着泡沫材料的3种变形模式:准静态模式、过渡模式、冲击模式.实验得出在冲击模式下,冲击端与支撑端的应力与试件的厚度无关,但是与试件的密度有关.在多孔金属的高应变率实验中,变形模式对SHPB实验有很大的影响,轴向惯性(波动)效应会导致试件两端的应力不均匀,此时利用SHPB得出的实验结果将会是应变率效应和惯性效应的耦合,不能真实反映材料的动态力学性能(应变率效应).

金属Cu体熔化与表面熔化行为的分子动力学模拟与分析

采用Mishin嵌入原子势,通过分子动力学方法模拟了金属Cu原子体系的体熔化和表面熔化行为,分析了体熔化过程中系统结构组态和能量变化以及表面熔化过程中固-液界面迁移情况.模拟结果表明:在体熔化过程中,结构组态与能量在1585K处发生突变;在表面熔化过程中,固-液界面在1380K保持静止.两种熔化过程的不同发生机制是导致体熔点1585K高于热力学熔点1380K的原因.在实际熔化中,表面熔化处于支配地位,实验测量的是热力学熔点.得到的热力学熔点与实验结果吻合良好,验证了本文所采用方法是正确和有效的,同时也说明了Mishin嵌入原子势适合处理复杂无序体系.

高温下轻质泡沫铝动态力学性能实验

对传统的分离式Hopkinson压杆装置加以改进,设计了一种长杆直接撞击Hopkinson杆的实验方案,检测出低波阻抗材料在高温动态加载下的应力均匀性。对轻质泡沫铝材料的实验表明,在同一撞击速度下,温度越高,试件两端的应力均匀性越差,增加温度与提高撞击速度均会导致泡沫铝材料冲击端与支撑端的应力不均匀性。根据高温下应力均匀性的实验结果,确定高温下试件均匀变形对应的冲击速度,再通过传统的分离式Hopkinson压杆实验得出泡沫铝在高温动态下的力学性能。

饱和砂岩的黏弹行为的实验研究

通过Metravib热机械分析仪,用正弦波进行加载,实验时固定静载为100N,正弦波动载荷恒为60 N,将总载荷控制在屈服点以下;在温度为—50～125℃,升温速率为1℃/min,频率为5～1000 Hz的条件下,对泵油饱和长石砂岩、彭山砂岩样品进行单轴循环加载实验,求取泵油饱和长石砂岩和彭山砂岩的衰减、耗散角、模量、波速与温度和频率的关系.以此研究了饱和多孔岩石在弹性范围内的衰减、耗散角、杨氏模量和弹性波波速随温度和频率的变化规律.取得了随频率或温度增高饱和多孔岩石的衰减峰和耗散角峰的峰位向高温或高频方向移动的热激活弛豫规律.以低频共振衰减解释了随频率增高衰减强度增大;用阻尼衰减和以岩石天然孔隙裂缝随疲劳载荷时间的增长,裂缝纵横比增加,解释了随频率增高,衰减峰的峰位向高频方向移动和衰减峰的强度降低的另一实验结果.这些实验结果与低频共振的驻波实验取得了同样的热激活弛豫规律,说明热激活弛豫机制在饱和多孔岩石中具有一定的普适性.本文还获得了杨氏模量和弹性波波速随温度升高而下降,随频率增高而增大,具有频散效应,随温度升高频散效应有减弱的趋势.该研究结果对理论模型研究具有指导意义,对地震资料的解释具有实用意义.

PVDF应力测量技术及在混凝土冲击实验中的应用

介绍了使用PVDF(polyvinylidene fluoride,聚偏二氟乙烯)应力计的应力直接测量技术。在SHPB装置上进行自制PVDF应力计动态压电系数的标定实验,分析了应力集中、横向泊松效应、摩擦效应对PVDF应力计信号及动态压电系数的影响。用PVDF应力计进行了混凝土的冲击压缩实验。利用混凝土前后端面PVDF应力计信号分析了实验过程中混凝土试样的应力均匀性。与应变计直测应变技术相结合得到了混凝土的动态应力-应变关系。

双材料微梁阵列非制冷红外成像系统——微梁阵列的设计与制作

给出了一种用于非制冷光学读出红外探测器的核心器件———双材料微悬臂梁阵列的设计和制作.微梁阵列是无硅基底的S iNx/Au双材料单层膜结构,其制作工艺简单、可以直接放在空气中成像.实验使用了设计制作的140×98微梁阵列和高信噪比的12-b it CCD,得到120℃以上的物体热像,噪声等效温度差(NETD)为7K左右,实验结果与热机械模型预测结果一致.

一种基于SHPB的冲击膨胀环实验技术

设计了一种基于分离式Hopkinson压杆(SHPB)的冲击膨胀环实验装置,实验装置包括一个液压腔,一侧为驱动活塞,另一侧为圆环试件封闭。对活塞施加轴向冲击,利用液体体积近似不可压缩的特性,通过液压腔截面积的大比例缩小,将较低速度的对活塞冲击转化为圆环试件沿径向的高速膨胀,驱动试件发生拉伸变形直至断(碎)裂。使用这种冲击膨胀装置,获得了LY12铝环在不同撞击速度下碎裂过程的初步结果。实验结果显示,随着撞击速度增大,圆环试件碎裂产生的碎片的尺度减小,试件的表观断裂应变增加。这为研究材料的动态拉伸碎裂问题提供了一种加载方式。

金属Cu晶化与玻璃化行为的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法,运用Mishin镶嵌原子模型,研究了液态Cu在不同冷却条件下的晶化与玻璃化行为.记录了系统能量、体积、径向分布函数及公共近邻的变化,并在0K分析了弛豫后系统原子内能、原子Voronoi体积及原子应力等热力学性质的分布情况.模拟结果表明,在较慢的冷却条件下,液态Cu形成晶态;在较快的冷却条件下,液态Cu形成非晶态.与晶态Cu比较,金属玻璃Cu有较高的能量和较大的体积,其内部晶格畸变导致了本征应力的存在.

基于SR-CT技术的泡沫铝力学性能

基于同步辐射计算机断层技术(简称SR-CT技术),对泡沫铝材料试件进行三维无损重建,获取泡沫铝材料试件的内部体结构。在此基础上,建立泡沫铝试件的三维仿真模型,并对该模型进行模拟计算,以研究泡沫铝材料在压缩过程中的变形情况、米塞斯应力分布情况及其弹塑性区域的分布。研究结果表明,基于同步辐射计算机断层技术重建结果建立的三维仿真模型,用来分析材料的力学性能的分析方法是完全可行的。

组合式隔热陶瓷短杆高温SHPB实验技术

讨论和分析了当前高温分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术,为了获得材料在高温下可靠的动态力学性能,建立了一套在压杆和试件之间添加隔热陶瓷短杆的高温SHPB实验系统。相比于传统接触式高温SHPB方案,该系统可以使用在更高的冲击载荷和温度下,与机械对杆方案相比,实验装置及其控制要简便许多。结合有限元模拟,对陶瓷短杆及温度场对压杆中应力波传播的影响进行了相应的评估,并利用这套实验系统得到了800℃下HR2抗氢钢的动态压缩应力-应变曲线。

金属Cu低指数表面熔化行为的分子动力学模拟

采用Mishin镶嵌原子势,通过分子动力学方法模拟了金属Cu的低指数表面在不同温度的表面熔化行为,分析了熔化过程中系统结构组态的变化以及固-液界面迁移情况．金属Cu的(100)和(110)表面在低于熔点发生预熔化,而(111)表面存在明显的过热现象．准液体层的厚度随温度升高而增加,热稳定性与表面的密排顺序一致,按(111)、(100)、(110)顺序增大．当温度高于热力学熔点时,同液界面的移动速度与温度成正比,外推得到热力学熔点约为1360-1380 K,与实验结果1358 K吻合良好．动力学系数定义为界面移动速度与过热程度的比值,表现为明显的各向异性:k100=39cm·s-1·K-1,k110=29cm·s-1·K-1,k111=20cm．s-1·K-1．k100与k110之间的比例符合collision- limited理论,(111)密排面有与其它低指数表面不同的熔化方式．

Hopkinson压杆实验技术的应用进展

SHPB实验装置是研究各类工程材料动态力学性能的最基本实验手段,它不仅可用于测量金属、高聚物等均匀性好、变形量较大材料的冲击压缩(拉伸、剪切、扭转)应力—应变关系,经改进后还可以用于测量质地软、波阻抗小的泡沫介质材料和质地脆、均匀性差的混凝土类材料的冲击压缩应力-应变关系。此外,SHPB实验装置因加载方式简单,加载波形易测易控制,还可以开展混凝土类材料的层裂强度研究,火工品、引信的安全性、可靠性检测,高G值加速度传感器的标定以及炸药材料的压剪起爆临界点的测定等。

力学超材料的构筑及其超常新功能

力学超材料是具有反直觉力学性质的人工微结构,其性能取决于人工原子的几何结构而不是材料组分。典型的力学超材料通常与4个弹性常数相关联:杨氏模量E,剪切模量G,体模量K和泊松比v。按所调控弹性常数的不同,将几何结构种类繁多的力学超材料分类为负泊松比拉胀材料(v<0,G>>K)、剪切模量消隐五模式反胀材料(G<<K)、负压缩性材料(-4G/3<K<0)、模式转换可调刚度材料(E)、低密度超强仿晶格材料(E/ρ)、负热膨胀材料。基于人工晶格结构和手性/反手性几何结构单元,扼要地论及在人工几何构筑方面的基本情况,以及不同构型与超常力学性能之间的联系。从而为拓展力学超材料的研究领域提供了系统性的架构,展望了面向3D打印技术制备的力学超材料的发展前景。