SHPB实验中几个问题的讨论

提高SHPB实验结果的可靠性和可比性,是当前SHPB实验技术急需解决的问题之一。以金属制作的SHPB系统和金属材料动态力学性能测试为研究对象,采用理论分析、实验探索和数值计算等研究手段对这一问题作了初步研究。（1）通过分析和研究影响SHPB实验两个基本假设的主要因素（弥散效应、惯性效应、阻抗匹配等）,指出了SHPB试件和波导杆设计应满足的基本条件（主要是试件长径比、试件与波导杆的横截面积之比）;（2）考虑到实验状态的复杂性,其与理想状态之间不可避免地存在着差异,对SHPB系统端面平行度的机械加工要求进行了分析,并对实验数据处理过程中值得注意的事项进行了讨论和分析;（3）对材料动态实验与本构关系中应变率参量做了进一步思考和探讨。     

混凝土SHPB试验端面摩擦效应研究

分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,简称SHPB)试验是测量材料在高应变率下动态特性的常用试验方法.基于LS-DYNA对混凝土的SHPB试验进行数值模拟,其中混凝土采用KC模型,利用SHPB二波法理论重构了抗压状态下混凝土试件的应力应变曲线,通过对比模拟结果和试验结论,分析了混凝土试件在动态荷载作用下的破坏规律,并通过设置不同的混凝土与SHPB杆件界面摩擦因数μ,将界面摩擦效应对混凝土动态抗压强度的影响进行了量化分析.研究结果表明:随着应变率的上升混凝土动态抗压强度增加且混凝土损伤演化更充分,动力增强因子(dynamic increasing factor,简称DIF)随着μ的增加而增加,但当μ每增加0.1时,DIF的增加幅度将会下降5%左右,且端面摩擦效应对DIF影响的最大值约为60%.     

花岗岩和混凝土动态拉伸性能研究

为了研究岩石类材料在高加载率下的动态拉伸性能,利用纯铜波形整形器改进后的分离式Hopkinson压杆装置(SHPB),在不同加载率下分别对花岗岩和混凝土试件进行了动态巴西圆盘实验.基于实验结果,分析了岩石类材料的动态拉伸破坏时间、劈裂破坏模式、动态拉伸应变和拉伸应力的加载率相关性规律.通过对比研究表明岩石类材料在高加载率下抗拉强度的加载率敏感性远大于其抗压强度,混凝土的动态力学性能的加载率敏感性大于花岗岩.     

纤维分布对活性粉末混凝土构件力学性能的影响

为研究准静态荷载下纤维分布对活性粉末混凝土(RPC)构件力学性能的影响,对同一纤维掺量(2%)下不同纤维长度(13～20 mm)的单向分布和乱向分布钢纤维RPC试件开展了四点受弯试验。通过选取弯拉荷载-挠度曲线上的初裂点、峰值点及其他几个特征点,定量分析单向分布和乱向分布钢纤维RPC的弯拉性能。结果表明：钢纤维在主拉应力方向上的方向系数显著影响基体的弯曲性能。其中,较乱向分布试件,单向分布钢纤维试件的弯拉峰值应力、弯曲韧性均大幅提高,且跨中挠度达到L/150时,残余强度仍比初裂强度高4.35～16.9 MPa;纤维长度由13 mm增加至20 mm时,与乱向分布试件相比,单向分布试件的裂后弯曲性能提高幅度更明显,且单向分布试件受荷越大,纤维长径比的优势越显著;单向分布试件断口处纤维分布均匀,绝大部分方向与主裂纹方向垂直,锚固长度大,断口处桥接效应显著;综合考虑单向钢纤维RPC试件的等效弯曲应力、耗能能力等指标,在纤维掺量为2%、纤维长度为20 mm时,其力学性能最优。     

混凝土材料的SHPB实验技术研究

为提高混凝土材料的SHPB实验结果的精度和可比性,结合混凝土的实验过程,对波导杆的弥散效应、试件内应力应变均匀性和试件的径向惯性效应进行了研究。研究结果表明：一维应力波假定和均匀性假定基本满足,混凝土试件是否有足够时间使应力应变达到均匀,取决于混凝土试件的最大应变值和应变率;实验中采用脉冲整形技术和恒应变率实验技术,并选用三波公式处理实验数据,可以增大混凝土的有效承载时间,减小试件惯性效应对实验结果的影响;当应变率接近或大于104时,需要考虑试件的径向惯性效应。     

混凝土SHPB试验的数值模拟

利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,运用HJC本构模型,对混凝土试件的SHPB试验进行数值模拟,重构了混凝土在低、中、中高以及高应变率下的应力应变曲线,并且对试件的破坏形态进行了模拟。研究表明,HJC模型可以很好地模拟混凝土材料的力学性能,重构的应力应变曲线在曲线形态和峰值应力上均与SHPB试验拟合良好,数值模拟得到的混凝土的破坏形态也与SHPB试验一致,确定该强度混凝土材料HJC本构模型材料参数的方法具有通用性。     

油菜秸秆纤维与粉煤灰复掺对混凝土性能的影响

为了有效再利用油菜秸秆纤维(RSF)与粉煤灰(FA),通过控制RSF的长度区间、体积掺量和FA的掺量进行正交试验研究混凝土的力学性能和微观结构。结果表明：适量掺入RSF与FA能够有效改善混凝土的力学性能,根据正交试验极差分析得出改善混凝土立方体抗压强度、抗折强度性能的最优水平组为：FA掺量15%、RSF长度区间30～40 mm、体积掺量0.2%;改善混凝土劈裂抗拉强度、拉压比性能的最优水平组为：FA掺量15%、RSF长度区间30～40 mm、体积掺量0.1%。扫描电镜观察到适量的RSF和FA能够与混凝土浆体黏结密实并填充内部孔隙,有效地提高了混凝土的力学性能。     

T形方钢管混凝土组合异形柱偏压性能试验研究

T形方钢管混凝土组合异形柱具有良好的力学性能,以试件长度、偏心距、偏心方向为试验参数,设计9个不同长细比的试件进行偏心受压试验,观察试件的破坏形态,得到荷载-应变曲线和荷载-挠度曲线,并分析各参数对试件偏心受压性能的影响.试验结果表明:长度为600 mm的试件发生了强度破坏,长度为1 500、1 800 mm的试件发生...     

钢-聚甲醛混杂纤维超高性能混凝土力学性能试验

为研究钢-聚甲醛混杂纤维超高性能混凝土的力学性能,以纤维掺量(0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%)和长径比(60、80、120)为设计参数,实施17组不同配合比立方体试件的流动度试验与抗压试验,观察试件的破坏形态,获取试件的最优配合比。探讨了不同设计参数对试件的流动度、抗压强度等力学性能指标的影响。试验结果表明：掺纤维试件的破坏模式显示出更强的韧性与延性,主要体现在抑制微裂纹形成的方面,纤维横向约束效果显著;相比于未掺纤维的基准组,掺入混杂纤维后的试件的流动度降低,抗压能力提升;混杂纤维掺量对试件的力学性能影响显著,较单一纤维掺入流动度表现更佳,其中聚甲醛纤维对超高性能混凝土的抗压强度提升有限,而随着钢纤维掺量增加,抗压强度增大;长径比对试件的力学性能影响显著,聚甲醛纤维直径对试件流动度影响较大,抗压强度随混杂纤维长径比的增加而增大;钢-聚甲醛混杂纤维超高性能混凝土通过控制混杂纤维长径比,能够同时获得较好的延性和抗压能力。     

钢管混凝土组合T形短柱轴压力学性能研究

在总结分析各种异形钢管混凝土柱工程应用的基础上,提出矩形钢管混凝土组合焊接T形柱(Weld-ing RectanguJar Composite T-shaped Concrete-Filled Steel Tubular Column,简称WRC-T钢管混凝土柱).考虑约束效应系数、长径比、肢长腹比等参数的影响,设计制作20个WRC-T钢管混凝土短柱试件,通过短柱的轴心受压试验,考察试件的破坏形态,实测试件的荷载-变形曲线和极限承载力,分析各参数对此类短柱轴压力学性能的影响.应用大型有限元软件ABAQUS6.5进行数值模拟分析,将数值模拟结果与试验结果进行比较,两者符合较好.研究表明,WRC-T钢管混凝土短柱的两个组成部分能很好地协同工作,力学性能好,便于施工;利用有限元软件ABAQUS6.5中的C3D8R单元进行实体建模可以较好地模拟WRC-T钢管混凝土短柱的力学性能.     

水泥砂浆高温SHPB实验及动态力学特性研究

采用一种新的混凝土类材料快速加温装置,在Ф50的SHPB系统上,对水泥砂浆试件进行了不同温度(20~600℃)下的冲击压缩实验,分析了水泥砂浆试件在不同温度和冲击速度下的破坏形态,并且获得了不同温度下水泥砂浆试件3个冲击速度下的应力应变曲线以及峰值应力、峰值应变的变化规律。研究表明,水泥砂浆材料具有明显的应变率效应,随着应变率的增加,水泥砂浆的峰值应力不断地提高。同时,水泥砂浆材料具有明显的温度损伤效应,在相同的冲击速度下,其峰值应力随温度的增加不断地减小,而其峰值应变则不断地增加。     

岩石材料动态断裂韧性的实验研究

为了研究岩石类材料的动态力学性能及动态破坏机理,防止出现岩石爆裂造成灾难性破坏,根据中心裂纹圆盘试件断裂韧性测试方法和分离式霍普金森压杆的基本原理,在SHPB装置上测试了花岗岩的动态断裂韧性。对测试结果按照SHPB基本原理进行处理,以试件两端平均载荷带入准静态公式得到动态断裂韧性。处理结果表明,用试件两端平均载荷获得岩石动态断裂韧性的实验方法有效的;花岗岩的动态断裂韧性具有加载速率相关性,随着加载速率的增加断裂韧性增大。     

混凝土压缩试验的改善及动态损伤

为了探求混凝土动态压缩试验入射波形的改善方法,从而进一步研究冲击荷载作用下混凝土动态损伤及力学性能,采用常规的大直径分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)进行混凝土的动态压缩试验。然而入射脉冲的弥散效应和严重的高频震荡现象会对试验结果会产生较大的误差,所以试件在破坏前应力均匀分布要求且保持恒应变率加载是保证试验有效性及试验结果可靠性的关键。通过黄铜整形器改善入射波形以减小试验误差,然后利用理论公式与试验相结合的方式,通过控制变量,进一步研究气压、冲击次数等对混凝土动态损伤的影响。研究结果表明:较薄的小直径实心铜片整形器可以提高试验准确度;随着重复冲击次数的增加,混凝土损伤度逐渐提高,动态弹性模量减小,抵抗冲击的能力减弱。     

水力喷砂射孔喷嘴的数值模拟及试验研究

针对收缩型喷嘴内部结构长径比(直线段长度与直径的比值)严重影响出口射流的冲蚀性能这一关键问题,研究了喷嘴内部射流加速机理,得出长径比是影响喷嘴出口射流速度的最主要因素之一;针对工程中5吋套管常用喷嘴结构,选取不同喷嘴直径和直线段长度,利用FLUENT软件计算了35组模型(直线段长度为6~12 mm,直径为4~6 mm),结果表明:射流速度最大时喷嘴长径比存在一个最佳值,本次计算射流出口速度最大时长径比为1.8;实验室按照数值计算模型加工35个不同长径比喷嘴,利用粒子图像测速系统(PIV)进行非接触式试验,分析实验结果,揭示了长径比对喷嘴出口射流性能的影响规律,验证5吋套管常用喷嘴(总长度为17 mm、收缩角30°)出口射流最大时对应的长径比1.8,试验结果与数值模拟一致.     

纤维混凝土动态压缩力学性能的实验研究

利用SHPB（split Hopkinson pressure bar）压杆，采用改进的实验技术对钢纤维混凝土和聚丙烯纤维混凝土进行了动态压缩力学性能实验，通过实验得到不同应变率下的应力-应变曲线，初步讨论了纤维掺量对混凝土的增韧效应、应变率效应、动态弹性模量的影响。     

封砂结构混凝土阻尼性能研究

用C10、C15、C20、C25、C30普通混凝土分别配制试件尺寸为450 mm×150mm×100 mm长方体试件,试件内预留Ф32 mm×450 mm孔洞,在孔洞内填入不同粒径、不同填充率的天然砂,充填完成后将孔两端封上形成封砂结构.采用悬挂自由振动方式测定封砂结构混凝土的阻尼比和响应频率等参数,获得阻尼比与填充率、颗粒粒径、响应频率等参数之间的关系.     

粗骨料粒径对混凝土弯拉强度尺寸效应影响的试验研究

为获取粗骨料粒径对混凝土材料弯拉强度及尺寸效应的影响,完成27组素混凝土梁四点弯曲试验,获得粗骨料最大粒径10、20、30 mm,尺寸为100 mm×100 mm×400 mm、150 mm×150 mm×550 mm、200 mm×200 mm×700 mm混凝土试件的弯拉强度,采用Ba?ant尺寸效应理论对试验数据进行分析,提出指数型弯拉强度尺寸效应经验公式。研究结果表明：相同骨料体积率、水灰比和构件尺寸下,混凝土材料弯拉强度随着骨料粒径的增大而降低;各骨料粒径下混凝土弯拉强度均存在尺寸效应现象,小尺寸时尺寸效应现象更显著,骨料粒径30 mm时,混凝土弯拉强度随几何尺寸增大而降低趋势最平缓;Ba?ant尺寸效应率与试验结果吻合较好,但不适用于全尺寸范围,提出的指数型尺寸效应经验公式,在全尺寸范围内能够较好地反映混凝土弯拉强度,可用于混凝土材料弯拉强度尺寸效应预测。     

SHPB恒应变率加载试验技术研究

基于对SHPB试验系统数据处理原则和SHPB试验装置在岩石材料中应用条件等问题的全面分析,得出了实现恒应变率加载能够有效地解决SHPB试验装置在进行岩石类材料冲击试验中存在的应力不均匀和弥散效应等问题的结论;确定了柱锥形子弹是实现恒应变率加载的有效手段;对总长400mm的柱锥子弹的不同形状参数进行模拟分析,得出了实现花岗岩恒应变率加载的最优柱锥子弹大小端面比为0.7,试件长径比为0.75~0.82,子弹最优锥长为300 mm.通过与传统圆柱子弹加载波形对比,从数值模拟和试验两个方面验证了所设计的柱锥形子弹实现了对花岗岩恒应变率的冲击加载.     

混凝土SHPB试验的波形整形材料研究

针对SHPB试验中试件的应力均匀性问题,计算分析了试件达到应力均匀时波在试件中来回透射-反射所需的最低次数,以及相对应的入射脉冲上升沿最短时间。通过Ф50mmSHPB试验装置对CAO混凝土进行冲击压缩试验,得到铜片、铝片、黄油、橡胶4种波形整形材料冲击后的入射波形,并进行分析比较。结果表明：橡胶是良好的波形整形材料,且其波形呈半正弦状。     

钢纤维体积率对C30混凝土立方体抗压强度尺寸效应的影响

混凝土作为一种准脆性材料,其抗压强度存在尺寸效应现象.为了研究钢纤维体积率对混凝土强度尺寸效应的影响规律,对钢纤维体积率分别为0.00%,0.75%,1.50%,试件边长分别为100,150,200 mm的27组共计81块钢纤维混凝土立方体试件进行了立方体抗压强度试验.在Bazant混凝土尺寸效应律的基础上,提出了C30钢纤维混凝土尺寸效应计算公式,明确了钢纤维体积率对尺寸效应的影响,并根据钢纤维混凝土立方体抗压强度试验的结果进行验证.结果表明:钢纤维混凝土立方体抗压强度的尺寸效应会随着钢纤维体积率的增大而变得更加明显,本文建立的钢纤维混凝土尺寸效应计算公式能够较好地分析和预测在不同钢纤维体积率以及不同试件尺寸下的钢纤维混凝土立方体的抗压强度.