Ti-6Al-4V动态剪切力学性能研究

采用霍普金森压杆技术和新型双剪切试样对Ti-6Al-4V材料的动态剪切特性进行测试研究。获得了Ti-6Al-4V材料在不同剪应变率下的剪应力-剪应变曲线,同时对材料的变形过程进行了直接观测。采用ABAQUS/Explicit对双剪切试样的动态加载过程进行了数值模拟。结果显示,试样剪切区的剪切成分占主导地位,应力应变场沿厚度及在面内的主要区域内呈均匀分布。经对比发现,实验曲线与模拟结果具有较好的一致性。     

动态帽型剪切试样分析及实验验证

对霍普金森帽型试样动态剪切实验及其数据处理开展理论和有限元分析。利用分离式霍普金森压杆对TA2钛合金封闭平板帽型剪切试样进行实验验证,采用数字图像相关法直接测试加载过程试样剪切区的应变演化。结果表明：只要试样设计加载过程试样剪切区应力状态罗德参数μ_σ满足-0.46<μ_σ<0.46条件,即可当作剪切状态处理得到等效应力,其误差不超过3.4%;帽型剪切试样实验处理得到的等效应力-应变本构曲线与圆柱动态压缩本构实验结果符合较好,并且剪切曲线可反映出材料发生绝热剪切起始、扩展演化以及破坏的“软化”过程。     

基于内聚裂纹模型的高聚物粘结炸药模拟材料动态断裂行为研究

对某高聚物粘结炸药（PBX）模拟材料的动态拉伸断裂行为进行研究。针对该材料开展了基于霍普金森压杆的动态带预制裂纹半圆盘弯曲实验,并结合高速摄像与数字图像相关方法,得到了试样动态破坏过程中的位移场和应变场。基于内聚裂纹模型,对其动态拉伸破坏过程进行了数值模拟。数值模拟与实验结果进行对比后发现,拉伸应力曲线、试样破坏前后变形场等结果符合较好。根据数值模拟结果,分析了PBX试样在动态预制裂纹半圆盘弯曲实验过程中的裂纹扩展演化规律,得到裂纹宽度比实验结果偏小约15%的结论。     

TA2钛合金动态压缩试样中的绝热剪切破坏研究

绝热剪切是金属材料高速变形破坏的重要形式之一,利用分离式霍普金森压杆（SHPB）技术对TA2钛合金的动态力学性能及绝热剪切破坏特性进行研究,实验得到了TA2钛合金动态应力-应变关系。对试样的绝热剪切带形成及发展进行了微观金相观察,结果显示：TA2钛合金动态压缩试样中产生的绝热剪切带呈对称的双圆锥形特征。进一步利用有限元方法对试样动态压缩及变形局域化过程进行了有限元数值分析,模拟结果与实验吻合较好。数值分析结果表明压缩试样表面摩擦对试样中绝热剪切带的形成与破坏特征有着重要影响。     

WSTi3515S钛合金超塑性拉伸变形行为的多尺度模拟

金属材料在塑性变形过程中存在多尺度效应,而多尺度建模仿真是研究多尺度效应的一种有效方法。基于动态再结晶热黏塑性本构理论,对WSTi3515S阻燃钛合金的拉伸变形行为进行仿真模拟,建立相应的多尺度模型,研究变形过程中材料的宏观力学响应和微观应力分布。结果表明:宏观拉伸模拟获得的应力-应变曲线与试验结果吻合;多晶集合模型体积单元,其整体响应与宏观试样微区的行为吻合较好;在变形过程中,应力-应变分布均从中心区向四周扩展,且在高温低应变速率下,应力-应变分布更均匀;随着应变增大,变形局部化由于应力的相互牵制而松弛,应力集中被有效缓解,使变形持续进行,从而获得较好的塑性。     

碳化硅与聚脲纳米复合材料拉伸力学性能和本构模型

聚脲作为一种涂层或夹层材料被用在爆炸冲击领域,对目标结构具有良好的防护作用。为研究聚脲材料的力学性能,利用万能试验机和分离式霍普金森拉杆试验装置对聚脲材料分别进行准静态和动态拉伸加载试验。得到碳化硅与聚脲纳米复合材料在低应变率（0.001~0.1 s^-1）和高应变率（1 260~4 500 s^-1）范围内的真应力-真应变曲线,并分析了应变率强化效应和纳米碳化硅颗粒含量对聚脲力学性能的影响。结合超弹性理论构建了含有应变率效应的准静态和动态本构模型,对试样的模型参数进行了拟合。结果表明：应变率越高,试样的流动应力越大,且动态加载下的流动应力要显著大于准静态,表现出明显的应变率强化效应;碳化硅与聚脲纳米复合材料的力学性能优于纯聚脲材料;碳化硅与聚脲纳米复合材料流动应力与相对应变率的对数在一定应变率范围内基本上满足线性关系;通过对聚脲动态拉伸力学性能数值模拟,仿真结果和试验结果吻合性很好,验证了拉伸试验应力-应变结果的准确性;本构模型拟合结果和试验结果吻合较好,说明所构建的本构模型能够较好地描述碳化硅与聚脲纳米复合材料的力学行为。     

高聚物粘结炸药模拟材料动态变形破坏的实验研究

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)加载装置对高聚物粘结炸药(PBX)模拟材料进行动态拉伸和压缩加载。利用高速摄影装置记录材料动态变形破坏过程,结合数字散斑相关技术,对不同加载条件下的位移场和应变场进行了分析,对PBX模拟材料动态变形破坏现象和机理进行了分析。实验结果和理论分析基本吻合,验证了数字散斑相关方法用于PBX模拟材料动态测量的可行性。     

基于内聚裂纹模型的高聚物粘结炸药模拟材料动态巴西实验的数值模拟

高聚物粘结炸药(PBX)是战斗部的关键组成部分,其动态力学行为,特别是动态断裂特性关系到战斗部的安全性和使用可靠性。基于内聚裂纹模型,对PBX模拟材料(PBX-M)的动态巴西实验进行数值模拟,对比霍普金森杆实验中测得的拉伸应力曲线,以及高速摄像结合数字图像相关方法得到的试样表面位移场和应变场。对比结果发现,拉伸应力峰值的数值模拟结果比实验结果小约5%,拉应变集中带的数值模拟结果与实验结果的偏差小于15%,验证了内聚裂纹模型的有效性。根据数值模拟结果,探讨了PBX-M试样在动态巴西实验过程中的起裂和裂纹扩展规律,给出了裂纹宽度的定量化信息。     

双缺口剪切法测定动态屈服强度

本文在对双方形缺口颈处受剪力情况下变形理论分析的基础上,设计了双缺口剪切试样来测定材料的动态剪切屈服强度。试验结果证明:在同样的加载速率下,双缺口剪切试样可以获得更高的应变率,所得结果可靠,且试验简单易行。     

铝合金薄壁圆管动态膨胀剪切断裂的实验研究

采用电磁驱动金属圆管膨胀技术对6063薄壁铝合金圆管的动态膨胀断裂过程进行实验研究,圆管膨胀速度可达140~200 m/s,应变率为4 500~6 500 s-1,并对剪切局域化形成过程、应变率影响及试样温升等进行讨论。结果表明:铝合金薄壁圆管动态断裂经历了均匀膨胀、剪切局域化变形及裂纹沿剪切局域化带发展过程,剪切局域化变形带与圆管径向呈45°或135°的分布。分析表明:碎片特征尺寸随加载率提高而减小,断裂应变随着加载率提高而增大。     

基于等径通道挤压法的超细晶铜动态剪切变形行为实验研究

采用等径通道挤压（ECAP）法制备了超细晶铜,分析其微结构的热稳定性及其对材料动态力学性能的影响。利用Hopkinson压杆及MTS液压伺服实验机对ECAP超细晶铜和原始铜帽型剪切试样进行应变控制加载,结合图像数字相关法及“冻结”回收试样的微观和X射线衍射分析,对其动态剪切变形行为及微观组织演化开展研究。结果表明：ECAP后的超细晶铜在准静态剪切下具有应变硬化特征,但在高应变率下剪切应力-剪切应变曲线呈软化特征;高加载率下产生动态再结晶的绝热剪切带是导致应变硬化率为负的原因;按塑性功计算的超细晶铜再结晶温度仅为325 K,因此超细晶铜在高应变率下易发生绝热剪切失稳变形现象。     

一维应力动态加载下战斗部装药力学响应预报模型

为获得战斗部装药在高过载侵彻下的动力学行为,对战斗部装药（黑索今(RDX)基高聚物粘结炸药(PBX)）在高应变率下的动态力学响应特性进行了研究。采用改进的分离式霍普金森压杆(SHPB) 实验技术对RDX基PBX炸药动态力学性能展开研究、压电传感器监测试件两端应力状态、高速相机拍摄实验中的试件变形过程,确保实验试件变形在动态应力平衡和常应变率加载条件下进行,保证实验数据的有效性。结果表明,该RDX基PBX炸药具有明显的密度效应及应变率效应,当应变超越0.075时应变率效应显著增强。基于应变能函数,建立该RDX基PBX炸药在一维应力状态下修正的Rivilin本构模型,模型拟合结果与实验结果基本相符,仿真结果得到的应变时间信号及试件变形模式与实验结果基本吻合。     

基于Hopkinson杆试验技术的PA-GF50复合材料动态力学行为

为研究纤维含量50%短玻璃纤维增强聚酰胺复合材料PA-GF50的动态力学性能及其应变率效应,利用准静态液压试验机及分离式Hopkinson压杆、Hopkinson拉杆对标距段尺寸为6~10 mm的试样,进行了应变率范围0.000 5~1 600 s^-1的准静态压缩、准静态拉伸、动态压缩和动态拉伸试验。对试样的应力-应变曲线和最终破坏形态,材料在不同应变率下失效破坏过程的微结构力学机理进行了分析。研究结果表明：动态载荷下,材料强度明显高于准静态载荷（压缩载荷下材料在400 s^-1、900 s^-1和1 600 s^-1应变率下分别较准静态载荷下增强31%、25%和29%;拉伸载荷下材料在400 s^-1、800 s^-1和1 200 s^-1应变率下分别较准静态载荷下增强46%、47%和28%）,且失效应变有所降低;试样变形和最终破坏形态为压缩载荷下试样经历缺陷压实过程再进入弹性变形最终达到强度后失效,拉伸载荷下试样经历弹性变形达到强度后失效断裂;材料在不同应变率下的微结构机理为准静态载荷下微观裂纹扩展组合成为宏观裂纹,动态载荷下微裂纹分别扩展成为宏观裂纹;试样的宏观断口和扫描电子显微镜结果证实,材料在准静态压缩加载条件下断口较为平整,动态压缩载荷形成纤维拔出、纤维断裂等特征,准静态拉伸载荷下纤维拔出明显,而动态拉伸载荷下主要表现为纤维断裂。     

冲击加载下Al2O3/SiC复合陶瓷的动态力学行为

陶瓷材料动态力学性能与微观断裂机制研究,对冲击加载下材料的损伤机理认识至关重要.针对Al2 O3/SiC复合陶瓷,采用分离式霍普金森压杆装置完成对试样的一维应力波加载,回收破碎试样颗粒并进行扫描电子显微镜分析.结果表明:一维应力波加载试验实现了对试样的均匀加载,且随着应变率的增加,Al2 O3/SiC复合陶瓷的强度逐渐...     

混凝土材料拉伸强度的应变率强化效应实验研究

混凝土材料的拉伸强度具有明显的应变率强化效应。采用同批制作的混凝土圆盘和圆杆试样,利用霍普金森杆加载,进行动态劈裂实验和一维杆应力波层裂实验。借助超高速摄像机、数字图像相关(DIC)等测试方法观察实验中试件破坏过程,以准确测量混凝土材料在不同应变率下的拉伸强度。在劈裂实验中注重加载方式,以保证试件满足求解弹性解析解的中心起裂条件;在层裂实验中精确确定层裂发生位置和时刻,获得了可靠的材料拉伸强度,并分析劈裂拉伸与层裂拉伸强度的应变率强化规律。研究结果表明：对于动态劈裂实验,DIC方法显示圆盘中心起裂与否的临界应变率约为10 s^-1;而对于层裂实验,采用DIC方法可以得到多次层裂对应的拉伸强度及相应的应变率（10~100 s^-1）;通过线性拟合拉伸强度应变率强化规律,层裂拉伸强度随应变率增长的斜率较劈裂实验结果偏高,混凝土的层裂拉伸强度动态增强因子可达5以上。所得研究结果对脆性材料动态拉伸强度及应变率强化效应的准确测量,具有一定的参考意义。     

16MnR钢的动态拉伸力学性能实验研究

在自制的冲击摆杆-杆型冲击拉伸试验机上,以16MnR钢为研究对象,进行了3个应变率的冲击拉伸实验,得到16MnR钢在不同应变率下的应力-应变曲线。测试结果表明:随着应变率的提高,材料的动态极限强度随之增大,表现出明显的应变率强化效应;通过对冲击拉伸试样断口扫描电镜分析可见,材料断口出现了比较均匀的韧窝,其断裂是韧性断裂;应变率对断口的影响不明显。     

弹丸对混凝土板侵彻的MCA方法数值模拟

根据非均匀材料的细观特征，从运动学的基本原理出发，推导出适于高速侵彻的移动元胞自动机法的计算模型．在模型中采用了位移、应力、体积应变等三个破坏准则。应用该模型对弹丸以不同速度侵彻混凝土靶的破坏过程进行数值模拟．给出弹靶的破坏变形过程．得到了侵彻深度与速度的关系曲线。并将弹丸侵彻混凝土的计算结果与Forrestal经验公式计算和试验结果进行对比．吻合较好．说明该计算方法可以有效地计算和模拟高速侵彻问题。     

中高应变率条件下TC18钛合金动态力学行为的实验研究

应变和应变率是影响材料力学行为的两个重要因素,分离式霍普金森压杆（SHPB）技术是实现不同应变和应变率加载的有效途径之一。为研究室温下TC18钛合金的塑性变形和破坏行为,采用SHPB,通过调节子弹长度和速度实现对TC18钛合金圆柱试样不同应变和应变率的加载。实验得到了TC18钛合金在不同应变率下的真应力-真应变曲线和同一应变率不同应变下的真应力-真 应变曲线,并分别分析了应变硬化和应变率强化效应对TC18钛合金的动态力学性能的影响。实验结果表明：TC18钛合金压缩试样破坏时断口与加载方向（轴线）之间的夹角约为45°,其压缩破坏形式为典型的剪切破坏,与应变和应变率相关;应变率越高,TC18钛合金的流动应力和屈服强度越高,故该材料具有明显的应变率强化效应;绝热剪切带是裂纹形成和试样发生宏观剪切破坏的先兆。     

弹道明胶动态力学性能试验与本构模型研究

弹道明胶被广泛用作生物医学和终点弹道中的软组织模拟物,其动态力学特性的准确测试一直是创伤弹道学领域重点关注的话题。为解决明胶材料在动态测试中出现的透射信号微弱、非均匀变形等问题,霍普金森压杆装置选用铝合金压杆搭配半导体应变片,同时采用波形整形技术及薄片试样等手段,开展4 ℃环境下浓度10%和20%弹道明胶的动态力学性能试验。试验结果表明：明胶的动态力学响应呈非线性,应力-应变曲线由弹性段及3个塑性强化段组成;应力动态增加因子与归一化应变率的对数呈线性关系;考虑应变率效应的多项式本构模型可较好地描述明胶在高应变率下的力学行为。研究成果可为轻武器杀伤元侵彻明胶靶标的数值仿真工作提供支撑。     

杆-杆型复合挤压过程模拟及其内部开裂缺陷的预测

采用刚塑性有限元法对杆－杆型复合挤压过程进行了数值模拟。在此基础上，对成形过程中的变形力进行了分析，并根据成形过程中的应力、应变场的变化，采用质点跟踪技术，运用韧性断裂准则，对金属变形时产生的内部开裂缺陷进行预测。实验结果表明，数值计算结果与实验结果较为吻合。此项研究对于实际生产中制订工艺及设计模具、提高产品质量方面具有指导性意义。