混凝土冲击破坏的分形研究

利用直径100 mm的分离式霍普金森压杆试验装置,对混凝土进行不同应变率等级的冲击压缩试验,研究了冲击破坏后混凝土试件碎块的尺度分布规律及其分形特征.结果表明:随着应变率的提高,试件破碎程度逐渐增大,碎块平均尺寸不断减小,碎块质量分布由粗粒端向细粒端移动;冲击破坏后混凝土试件的碎块尺度分布具有明显的分形特征,其冲击破坏分维值随应变率的增大近似呈幂函数式增长,且冲击破坏分维越大,试件碎块平均尺寸越小,试件破碎越严重;混凝土冲击破坏分维的变化与其动态力学性能指标间具有密切联系,随着冲击破坏分维的增大,动态压缩强度、动态峰值应变及动态压缩韧性均不断增大.     

冲击荷载下白云岩块度分布及分形特征

岩石破碎块度与爆破作业成本密切相关，研究岩石块度分布和分形特征对于深入了解岩石破坏特性和指导爆破施工具有重要意义。以四川攀枝花某露天采石场现场所取白云岩试样为研究对象，利用分离式霍普金森压杆(SHPB)系统对5种冲击气压(0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 MPa)作用下的试样进行冲击压缩试验，分析了试样的应力-应变曲线和破坏规律，通过筛分得出试样的块度分布特征，基于分形维数定量描述了试样的破碎程度，结果表明：试样的应力-应变曲线经历了4个阶段，分别为裂隙闭合阶段、弹性阶段、塑性变形阶段和峰后软化阶段；随着应变率的增加，试样的破坏范围由边缘逐渐向中心扩展，破碎块度由大块过渡为小块及粉末；试样的平均粒径与应变率密切相关，试样破碎后的平均粒径随着应变率的增加而减小；分形维数与应变率呈线性关系，随着应变率的增加，大粒径碎块质量分数逐渐降低，中粒径和小粒径碎块质量分数逐渐升高。     

基于微裂纹统计模型的PBX力学行为

将微分形式的Visco-SCRAM模型简化为单轴应力下的增量形式,用其拟合出PBX在不同应变率的单轴拉伸与单轴压缩下的应力应变曲线,然后根据微裂纹平均半径的变化分析其相应的细观物理过程,并分析了黏性对PBX力学性能的影响.结果表明,Visco-SCRAM模型能反映PBX强度与模量的拉压不对称性和应变率效应.破坏时的微裂纹平均半径随应变率的增大而增大,且该值在拉伸加载下明显小于压缩的情况.在一定范围内,随着黏性的减小,模量和强度增大,而破坏应变减小.     

侧限压缩过程中散体矸石变形及破碎特征研究

散体矸石宏观变形的主要来源是侧限加载过程中对试样初始孔隙的直接压缩,以及压实压密阶段粗矸破碎后对孔隙的再次充填。采用加载设备与声发射装置相结合的试验系统,以加载速率为影响因素,基于理论推导和试验数据分析,对侧限压缩过程中散体矸石的宏观变形、孔隙率和破碎程度等特征进行了系统研究。研究结果表明:直接压缩初始孔隙对宏观变形的影响最为明显;孔隙率随着应变的减小而增大,与应力呈单调递减的反比例型复合函数关系;对散体矸石破碎分形函数进行了重新推导,比较双对数曲线拟合斜率得出,加载速率越大,破碎程度越小;声发射定位数随着试验力的增大而不断增加,随加载速率的增大而减少,试样中部颗粒破碎最为密集;颗粒的破碎程度越大,对孔隙的二次填充率越高,孔隙不容易被进一步压缩,试样抗变形能力增强。     

中高速冲击下PVB夹层玻璃开裂及碎片特性研究

研究表明玻璃幕墙、汽车风挡等夹层玻璃受冲击破坏时,玻璃碎片是造成次生伤害的主要因素.采用空气炮冲击试验结合高速摄影及数字图像处理技术,进行夹层玻璃开裂及碎片特性的研究,分析了玻璃和PVB厚度及冲击能量对碎片特性的影响.采用金相显微系统从介观尺度(10-3 mm)观测开裂及碎片产生过程.结果 表明,中高速冲击下PVB夹层玻璃碎片破坏模式具有五个阶段;碎片飞溅速度呈现两个阶段,其主导因素为正面玻璃的抗侵彻强度;扇形碎片飞溅能量具有一个明显的峰值,对于优化夹层玻璃防护性能具有重要意义.     

泡沫混凝土单轴压缩破坏特性的细观数值模拟

在细观层次,泡沫混凝土可看作是由大量气泡以及水泥浆体这两相材料复合而成的.为了模拟具有高含量气泡的泡沫混凝土,在假设气泡为圆形和球形的条件下,结合随机游走算法与随机搜索算法,创建了泡沫混凝土的二维和三维几何模型.使用混凝土断裂损伤的本构模型,对数值试件进行了单轴压缩破坏的力学特征分析.探究了泡沫混凝土试件从初始微小裂缝直至被压缩破坏的全部过程,得到了泡沫混凝土的应力-应变曲线.结果 表明:具有相同气泡尺寸及比例和相同气泡含量,而气泡位置分布不同的泡沫混凝土在抗压强度上有一定的差异性,但峰值应变和初始弹性模量基本保持不变;如果泡沫混凝土的气泡含量不同,那么它的极限抗压强度和峰值应变的变化趋势是不同的,并且随着试件的气泡含量增加,极限抗压强度会快速降低,而峰值应变虽然也会有所降低,但降低的趋势较为缓慢.这与真实的泡沫混凝土在单轴压缩时的破坏过程是一致的.这也说明:数值试验也能够较好的模拟泡沫混凝土在单轴压缩下被破坏的全过程.     

基于声发射的大理岩破坏模式研究

不同围压条件下大理岩破坏模式不同,这种破坏模式的差异可以通过压缩试验过程中的声发射特性进行研究。利用超声波波速选取离散型较小的大理岩试件开展三轴压缩试验,结合声发射试验对不同围压下大理岩的声发射特性进行研究。结合声发射特征和应力-应变曲线对三轴加载过程中大理岩破坏模式进行了分析。研究结果表明,随着围压的升高,应力-应变曲线的脆性跌落程度逐渐降低,扩容起点对应的体积应变和轴向应变均逐渐增大。声发射在大理岩体积扩容前计数较小,能量很低,在体积扩容后声发射累计能量和累计计数急剧升高,裂纹不断发展,最终导致试件破坏。随着围压的升高,最大声发射幅值、累计能量、累计计数均逐渐降低,试件的脆性减弱,破坏模式向延性转变。     

玄武岩纤维增强水泥砂浆的拉破坏试验研究

为了研究玄武岩纤维(BF)增强水泥砂浆在拉应力作用下的变形破坏过程,利用巴西劈裂试验和数字散斑相关方法,研究了BF增强水泥砂浆在拉破坏过程中变形场的演化.结果表明:(1)BF含量相同时,试件的抗拉强度随养护时间的增加先增加后减小;(2)养护时间相同时,抗拉强度随玄武岩含量的增加先增加后减小;(3)当拉应力较小时,试件内部存在局部小变形区;拉应力增加,局部小变形区面积增加,相邻的局部变形区相互合并,形成更大的局部变形区;局部大变形区相互合并形成应变局部化带;最终应变局部化带发展成宏观裂纹;(4)相同养护时间,BF含量小于0.1％时,BF含量增加,应变局部化带的形成位置逐渐向峰值载荷移动;(5)BF提高了水泥砂浆颗粒间的连接强度,使抗拉强度提高;试件破坏时,硅酸盐化合物先破坏,BF后破坏.     

复合材料波纹褶皱区域损伤变形测量及声发射监测

对含波纹褶皱缺陷的玻璃纤维单向复合材料进行压缩试验,结合声发射(Acoustic Emission,简称"AE")和数字图像相关(Digital Image Correlation,简称"DIC")互补技术,研究复合材料波纹褶皱区域的损伤变形与演化规律。在复合材料试件压缩加载的过程中,采集波纹褶皱区域损伤变形场、应变场信息和实时声发射监测信号,分析复合材料压缩力学响应行为与缺陷区域变形场、应变场以及声发射信号特征之间的对应关系。结果表明:波纹褶皱会严重影响复合材料的力学性能,通过分析声发射信号,发现随着波纹褶皱宽高比减小,复合材料的力学性能呈现降低的趋势;当波纹褶皱宽高比一定时,随着波纹褶皱高度不断增加,复合材料的力学性能呈现降低的趋势。通过DIC测得的应变场与位移场信息,发现对于相同的载荷增量,最大应变呈增加趋势,且波纹褶皱宽高比越大应变增幅越大;越趋近于褶皱中部,水平位移越大,加载方向位移与试件失稳破坏位置有关,接近破坏区域的加载方向位移大。损伤区域位移场和应变场清晰地反映了玻璃纤维复合材料的损伤变形特征。     

基于霍布金森压杆的砂岩动态力学特性数值模拟研究

以砂岩为研究对象,采用ANSYS/LS-DYNA软件建立分离式霍布金森压杆数值模型,模拟砂岩在不同应变率及应力波加载次数下的冲击过程.研究结果表明:随着应力波的传递,砂岩表现为三种破坏模式:张应变破坏、沿径向劈裂拉伸破坏、压碎破坏阶段;随着应变率的增大,动态峰值应力和峰值应变也随之增大;应变率一定时,随着应力波加载次数的增加,岩样的入射能、反射能、耗散能都呈现减小的趋势,而总耗能却表现为逐渐增大.     

Compression behavior of woven glass/epoxy specimens using a new end‐loaded hybrid specimen

A new compression specimen was applied to woven glass/epoxy laminates. The specimen consists of epoxy layers cast on the sides of the laminate to prevent buckling. Thin‐sheet aluminum ends enable alignment and avoid crushing under end loading, which does not require any special fixture. The compression stress–strain behavior of the laminate was obtained from the specimens by discounting the previously measured stress–strain curve of the epoxy backings. Despite the higher scatter in compression tests, the average modulus was practically identical to the tensile modulus. Moreover, failure occurred away from the ends in nearly all of the specimens tested. The average compressive strength was 84% of the tensile strength and consistent with the flexural strength measured in four‐point bending tests. The present compression specimen could, therefore, become an interesting alternative to the more elaborate standard test methods available. Nevertheless, this new compression testing approach needs further evaluation involving application to other materials. POLYM. COMPOS., 2011. © 2011 Society of Plastics Engineers     

冲击载荷下2-2型水泥基压电复合材料力电响应特性

研究2-2型水泥基压电复合材料在冲击载荷下的力电响应特征,利用分离式Hopkinson压杆装置进行冲击加载,借助超高速摄影技术观察试样在冲击载荷下的破坏形貌。结果表明:冲击载荷下,压电复合材料具有明显的应变率效应,是应变率敏感材料;压电复合材料的力电响应存在一个临界值,当应力小于该临界值时,试样的电信号与施加载荷之间具有良好的线性关系;动态增强因子可以有效描述压电复合材料压缩强度的率效应规律,在线性范围内,随着应变率的增大,试样的动态增强因子也增大,且具有稳定的增长率;由Maxwell模型得到的压电复合材料应力松弛时间随应变率增大单调递减;冲击载荷下,2-2型水泥基压电复合材料与压电陶瓷的电学失效发生在力学失效之前,且均呈现“爆炸式”破碎,压电陶瓷还伴随着明显的电弧放电现象。     

不同应变率下橡胶混凝土抗压性能及能量特性研究

对四种橡胶体积掺量(0%、5%、10%、20%)的级配良好橡胶混凝土开展单轴抗压试验,对力学性能和破坏形态方面进行分析,得到了橡胶混凝土综合性能最优时的橡胶掺量,进而对最优掺量组进行不同应变率下的单轴压缩试验,并分析了不同应变率下橡胶混凝土的能量特性。试验结果表明,橡胶混凝土表现为裂而不散的类延性破坏,而非普通混凝土的脆性破坏。随着橡胶掺量的增加,抗压强度大幅降低,但变形能力得到增强,在掺量为10%时,橡胶混凝土的抗压强度达标,变形能力最好。橡胶混凝土受压时能量演化和转化过程是输入能先大量转化为弹性能并储存;接着耗散能转化率开始增加,使试件表面产生大量微裂纹;最后弹性能快速释放,耗散能转化率占比明显提高,从而导致试件整体破坏。另外随着应变率增大,橡胶混凝土的抗压强度和初始弹性模量明显提高,而峰值应变降低,同时输入总能量、弹性能与耗散能均呈现上升趋势,其中弹性能增加更明显。     

周向液体层对战斗部破片加速过程的影响

为研究外部液体介质对杀伤战斗部破片加速过程的影响,设计了液体层厚度与装药直径之比为1∶1的模拟样机,开展了满腔、半满和空腔3种状态下的模拟样机静爆试验,得到周向液体层包覆下战斗部的破片速度,并利用LS-DYNA软件对3种状态下装药加速破片的过程进行了分析,与试验结果进行了对比。结果表明,外部液体介质影响了战斗部装药爆轰能量的分配,进而降低了装药加载破片的性能,在满腔状态下破片的速度仅能达到空腔状态下的55%~60%;半满状态时,水介质的径向惯性约束作用使得爆轰产物并未均等地向各个方向膨胀作功,而是向无水方向流动较快(类似于局部泄爆),其能量出现不均衡分配,进而有效提高了无水一侧破片的速度,达到空腔状态下的1.65倍。数值模拟的结果与实验结果相吻合,进一步验证了周向液体层对战斗部破片加速过程的影响。     

Static and Dynamic Compressive Behavior of Aluminum Nitride under Moderate Confinement

An experimental technique for imposing lateral confinement on specimens subjected to dynamic or quasi-static uniaxial compression has been developed. Lateral confinement is provided by a shrink-fit metal sleeve installed on the lateral surface of a cylindrical ceramic specimen. Experiments using this technique were performed on sintered aluminum nitride (A1N). The results show that the failure mode changes from fragmentation by axial splitting under conditions of uniaxial stress to localized faulting under moderate lateral confinement. The compressive failure strength of the A1N increases with the increase of confinement pressure under both static and dynamic loading conditions. The effect of strain rate on the failure strength appears to be independent of the confinement pressure.     

Compressive properties and fracture behavior of ceramic fiber-reinforced carbon aerogel under quasi-static and dynamic loading

The quasi-static and dynamic compressive properties of a ceramic fiber-reinforced carbon (CFRC) aerogel were investigated using a universal test machine and a split Hopkinson pressure bar. The fracture surface of the CFRC aerogel was studied by scanning electron microscopy. Results show that the compressive behavior of CFRC aerogel exhibits a significant strain rate strengthening effect. The quasi-static failure strain is higher than the dynamic failure strain. Under quasi-static compressive loading, the carbon aerogel matrix breaks into small pieces at a strain of 0.75 and fibers separate from the matrix. The deformation of the fibers is not obvious, indicating that fibers suffer little stress. Under dynamic compressive loading, the aerogel matrix shatters into fragments at a strain of 0.62 and shows a “bursting” phenomenon. The high speed compression of gas in the aerogel results in an increase of the internal stress. Fibers bend, break and separate from the matrix, indicating that fibers carry partially the applied loading. The carbon nanoparticles are squeezed closer with nearly no voids remaining after both quasi-static and dynamic compression. The increase of the internal stress and the fracture of fibers lead to strain rate strengthening and earlier fracture of the CFRC aerogel at high strain rates.     

交变载荷下PP/SSFs复合材料导电性

通过熔融共混、注塑成型的方法制备聚丙烯(PP)/不锈钢短纤维(SSFs)导电复合材料,用万能试验机对试样进行循环加载实验,实时采集试样的应力、应变和电压信号,研究SSFs含量不同的PP/SSFs试样在交变载荷作用下电阻率的变化规律。结果表明,随着SSFs含量的增加,PP/SSFs复合材料的导电性不断增强。在交变载荷作用下,应变对应力有所滞后,电阻率与应变呈现反向对应关系,应变增加时电阻率减小,其电阻率整体变化趋势呈先上升后趋于稳定的状态,这是由于在加载过程中,PP/SSFs复合材料的内部同时存在旧导电通路的破坏和新导电通路的形成两个过程,当这两个过程处于动态平衡状态时,材料的电阻率便趋于稳定。通过扫描电子显微镜观察了导电填料的分布以及载荷作用下的损伤。     

Dynamic Compressive Response of Intact and Damaged AD995 Alumina

The dynamic compressive responses of AD995 alumina have been determined as a function of loading rates and damage levels. To determine the dynamic properties under loading conditions simulating those encountered in ceramic armors subjected to impact, a novel dynamic compressive experimental technique modified from a split Hopkinson pressure bar (SHPB) was employed to load the ceramic specimen by two consecutive stress pulses. The first pulse determines the dynamic response of the intact ceramic material and then crushes the specimen. Before the specimen disintegrates, the second pulse determines the dynamic compressive constitutive behavior of the ceramic rubble that is still interlocked. The results show that the compressive strengths of damaged ceramics are insensitive to strain rates once the damage level exceeds a critical value.     

Dynamic Failure of Borosilicate Glass Under Compression/Shear Loading Experiments

Dynamic compression/shear experiments on a borosilicate glass at an average strain rate of 250 s⁻¹ are conducted using a modified version of a split Hopkinson pressure bar. Instead of applying confining pressure, cuboid specimens with the material axis inclining to the loading direction at different angles (0°, 3°, 5°, and 7°) are used to generate higher shear stresses. A high-speed digital camera, synchronized with the loading stress pulse, is used to record the dynamic crack initiation and propagation. Experimental results show that the equivalent stress at failure decreases with increasing shear portion in the stress. Digital images show that the cracks initiate randomly in the right specimen, whereas cracks initiate from the stress-concentrated corners in the inclined specimens. Subsequent crack propagation, despite specimen inclination angles, is along the specimen axis rather than the compressive loading direction.