SHPB试验中应力波在损伤非线弹性材料中的传播

为了研究高应变率冲击压缩荷载作用下,岩石类材料的非线弹性力学特性,建立了描述SHPB试验中应力波在考虑损伤及应变率强化效应的非线弹性岩石类材料中传播的波动方程.将混合遗传算法与有限差分法数值计算方法相结合,建立了数值分析程序,在花岗岩SHPB试验研究基础上,模拟了SHPB试验中从应力波进入入射杆到试件破碎的整个加载过程中应力波在入射杆、透射杆以及岩石类试件中的传播过程,进而求得试件上的应力与应变.由理论计算的应力应变曲线与试验曲线对比分析,验证了应力波在考虑损伤的非线弹性材料中的波动方程及数值分析方法的适用性和可靠性.     

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。     

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。     

煤矿砂岩SHPB动态压缩力学性能试验与分析

为研究煤矿砂岩冲击载荷作用下的动态力学特性,利用分离式Hopkinson压杆对皖北矿区祁东煤矿的砂岩试件进行冲击压缩试验,得到了试件应变率变化时程曲线和动态应力一应变曲线。试验结果表明：采用3种冲击气压加栽,入射波形均近似为梯形波;试件应变率随冲击气压提高而增大,应变率曲线中有一段近似恒应变率平台,可实现恒应变率加栽;试件动态破坏形态在低应变率下为径向外围剥落式拉伸破坏模式,在高应变率下则为颗粒状粉碎破坏模式。随应变率增加,碎块尺寸减小且碎块数量增加,具有明显的应变率效应;试件动态抗压强度与平均应变率近似乘幂关系,显示出较强的相关性。     

冲击载荷下复合材料层板断裂韧性的实验研究

利用Hopkinson杆加载装置,对带有单边切口的CFRP、GFRP层板试件进行冲击拉伸加载实验。根据一维应力波理论求得作用于试件上的载荷P(t)和试件加载点的位移δ(t)。根据试样中应力随时间的变化历史σ(t),再结合断裂韧性测试原理,建立动态应力强度因子KI(t)响应曲线。利用柔度变化率方法确定起裂时间,分别得到在2种加载速率下CFRP、GFRP层板的动态断裂韧性。     

改善Hopkinson压杆的波形分离技术

在阐述一维应力波的理论知识和Hopkinson压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)系统的工作原理基础之上,采用波形整形器改善加载波形振荡,且在入射杆2个不同位置粘贴应变片来测量应变波形,利用大距离应变片粘贴方法的分离波形技术改善SHPB系统杆长的限制.结果表明,该方法能有效地分离叠加波形,得到完整的入射波和反射波,并且简化了试验的处理过程.同时,采用入射波、反射波和透射波三者之间的关系以及测试的原始波形和分离波形之间的比较来验证,说明了该波形分离技术的合理性及可行性.     

冲击拉伸下多晶纯钛的绝热温升效应

在冲击拉伸实验装置的入射杆和透射杆上加入余波吸收器,消除反射余波对试件的二次加载,实现冲击条件下的动态拉伸加卸载实验,发展了动态拉伸复元技术,获得了纯钛在动态拉伸条件下的等温应力应变曲线.通过Johnson-Cook模型描述温度的软化效应,对比等温应力应变曲线和绝热曲线,确定纯钛的绝热温升效应.结果表明,动态拉伸条件下耗散功向热量的转化比率约为60%.     

利用实验和数值结合的方法测量镁合金AZ91动态断裂韧性

利用Hopkinson压杆实现镁合金AZ91三点弯曲断裂试件的动态加载,基于傅里叶变换和VC++面向对象的程序设计方法修正了加载应力波在传播过程中的弥散效应,同时扣除了附加加载杆楔形头惯性效应对加载波的影响。利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对三点弯曲试样在冲击载荷下的动态响应进行了分析,采用虚拟裂纹闭合技术求得动态应力强度因子时程曲线,依据监裂应变计测试信号,换算起裂时间,确定对应于动态应力强度因子时程曲线的值,即为镁合金AZ91的动态断裂韧性。本文提供的实验和有限元数值计算相结合获得镁合金断裂韧性的方法为镁合金构件抗冲击设计和动态载荷作用下结构的安全评定提供依据,也拓宽了Hopkinson压杆实验技术在测试材料动态断裂韧性方面的应用范围。     

试件几何尺寸和杆材对CCCD-SHPB试验系统 测试结果影响的数值分析

为了分析CCCD-SHPB动态断裂试验系统试验结果的有效性,采用3维动态有限元方法分析了试件几何尺寸和入射杆、透射杆材料对实验结果的影响。分析结果表明,试件直径对CCCDSHPB动态断裂试验系统的试验结果有较大影响,而入射杆和透射杆的波阻抗与试件的波阻抗是否匹配会影响试验结果的精度,但在一定尺寸范围内,试件厚度对试验结果影响较小。进一步计算结果表明,在动态加载的初期阶段,由于试件两边载荷不平衡,导致CCCD-SHPB动态断裂试验系统中存在与试件尺寸相关的特征时间ΔT,且ΔT近似等于应力波在试件中来回往返两次的时间;动态断裂试验时,试件从加载至断裂的时间应大于特征时间ΔT,否则试验结果不可靠。     

影响Hopkinson压杆实验结果因素的数值模拟分析

根据Hopkinson压杆试验装置产生压缩加载脉冲的力学模型,利用ANSYS/LSDYNA有限元显示动力学程序计算得到了试件在加载过程中的应力-应变曲线,并且和输入材料曲线做了比较,讨论了试件的长径比及试件与压杆之间的界面摩擦力对试件内部应力均匀性和对试件材料动态屈服应力的影响.分析结果表明,试件的长径比在0.5~0.6之间、试件与压杆之间的界面摩擦系数为0.15时,对动态屈服应力的结果影响比较小,这一结论对实际的实验操作有一定的指导意义.     

Influences of Stress Wave Propagation upon Studying Dynamic Response of Materials at High Strain Rates

How the wave propagation analysis plays a key role in the studies of dynamic response of materials at high strain rates is analyzed. For the wave propagation technique, the followings are important: the loading and unloading constitutive relation presumed, the positions of the sensors embedded, the interactions between loading waves and unloading waves. For the split Hopkinson pressure bar (SI-IPB) technique, the assumption of one-dimensional stress wave propagation and the assumption of stress uniformity along the specimen should be satisfied. When the larger diameter bars are employed, the wave dispersion effects should be considered, including the high frequency oscillations, non-uniform stress distribution across the bar section, increase of rise time, and amplitude attenuation. The stress uniformity along the specimen is influenced by the reflection times in specimen, the wave impedance ratio of the specimen and the bar, and the waveform.     

单轴循环冲击下花岗岩力学特性与损伤演化机理

为研究循环冲击荷载下黑云母花岗岩的动态力学特性,利用改进的分离式霍普金森压杆,选取4种不同的入射波应力幅值对花岗岩试样进行等幅循环冲击,并对相关机理和试验现象进行探析.结果表明:入射波应力幅值为110.57和90.48 MPa时,随着冲击次数的增加,岩样的峰值应力逐渐降低,最大应变、平均应变率和损伤值均呈现增大趋势;入射波应力幅值为70.82 MPa时,花岗岩的峰值应力随着冲击次数的增加表现出先增强后降低的特性,而最大应变、平均应变率与损伤值则表现出相反规律;入射波应力幅值降为50.69 MPa时,岩样的力学性质基本不变,岩样未见明显的损伤.此外,研究还发现基于岩样静态压缩应力-应变曲线推求的静态裂纹起裂应力,经强度增长比例系数放大后可得到动态裂纹起裂应力,籍此能较好地解释上述循环冲击试验中所观测到的现象.     

3D打印类岩石材料强度特性与动态损伤本构模型

为研究基于3D打印的层状类岩石材料动态损伤力学行为，对5组不同倾角的岩样，采用分离式霍普金森杆对其进行动态压缩试验。依据所得的应力-应变数据，以朱-王-唐本构模型为基础，建立一种线性弹簧体、Weibull分布损伤体和Maxwell体并联的黏弹性本构模型，并结合试样的残余强度特性引入损伤修正系数。最后，将其推广应用于黑色页岩的变形规律研究，以检验该本构模型的适用性。结果表明：动态冲击下岩样峰值应力随着倾角的增加呈现先减小后增大的“V”形变化趋势，与天然层状岩石的变化规律相符合；所构建的损伤本构模型，能准确地表征3D打印的层状类岩石材料的应力-应变曲线形状及其力学特征；考虑损伤修正后，其还可较好地反映试样峰后阶段应力应变变化特性与残余强度。研究结果对揭示层状岩石动载下变形规律具有一定参考价值。     

动载下层状岩体力学特性试验与数值模拟

为研究冲击载荷作用下层状复合岩体的动态力学性能和破裂机制,基于煤单体和白砂岩构成层状软硬煤岩复合体,利用分离式霍普金森压杆试验装置和LS-DYNA有限元分析软件,结合Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型,开展不同速率和不同冲击方向下层状软硬煤岩复合体加载试验。结果表明：静态载荷作用下,层状煤岩复合体的强度不会随加载方向变化,动态载荷下层状煤岩复合体的峰值应力和动态增长因子DIF都随冲击速度增加呈线性增大,并且波阻抗匹配效果更好的HS复合体力学性能始终优于SH复合体(S和H分别代表煤单体和白砂岩),随着冲击速度增加这种现象逐渐减弱;层状煤岩复合体耗散能密度与入射能密度呈二次增长关系,分形维数也随着速度增加而不断增大,其中,应力波由硬入软时得到的效果优于由软入硬;层状煤岩复合体破碎程度随冲击速度增加而愈发剧烈,HS复合体破坏程度大于同条件下的SH复合体,白砂岩多呈剪切状破碎,煤单体多呈粉碎锥形破坏;层状煤岩复合体交界处与其他区域强度不一致,造成复合体破坏顺序改变,复合体整体强度规律从小到大依次为煤单体非交界面区域、煤单体交界面区域、白砂岩交界面区域、白砂岩非交界面...     

横观各向同性平板中复合应力波的传播规律研究

以各向异性本构关系一般理论为基础,导出了横观各向同性平板中的粘塑性本构关系及板中复合应力波传播的控制方程,应用有限差分方法研究了在压扭复合冲击载荷作用下粘塑性横观各向同性平板中复合应力波的传播特性与演化规律,分析了粘塑性参数和撞击倾角对复合应力波传播与演化规律的影响,并对各种现象进行了分析和解释.     

强冲击载荷下岩石损伤特性实验研究

通过在一级轻气炮驱动的平板碰撞实验台进行冲击损伤实验 ,对软回收样品进行超声波测试 ,研究了强冲击载荷下两种典型岩石损伤特性 .结果表明 ,岩石的动态损伤与冲击速度和超声波衰减系数α有关 ,后者较好地反映了岩石的损伤程度 ,可作为构造岩石损伤模型的主要参量     

黏弹性节理岩体中应力波的传播特性分析

为探究黏弹性节理对应力波在岩体中传播规律的影响,引入饱依丁-汤姆逊模型作为位移不连续条件,基于时域递归方法推导出应力波通过一组平行黏弹性节理的传播方程;通过将饱依丁-汤姆逊模型退化为Maxwell模型和Kelvin模型所得的时域递归数值解与已有的频域内封闭解对比,验证推导过程的正确性;最后,对相关参数的影响规律进行分析。结果表明：模型无量纲系数、无量纲节理厚度、无量纲节理间距和入射角等都对波的传播产生影响;对于单条节理,应力波的透反射系数以及能量耗散率主要取决于位移不连续模型的无量纲参数、入射角及无量纲节理厚度;而对于一组平行节理,透射系数还和平行节理数与节理间距的大小有关,且节理条数的增加对入射临界角位置处透射波振幅的衰减影响更为明显。     

节理形态及吻合度对应力波传播影响试验

为探讨节理形态及其吻合程度对应力波传播的影响,分析不同节理吻合系数JMC及其几何分布对节理的动态力学特性和应力波衰减规律的影响,试验采用水泥砂浆材料制备圆柱体试样模拟岩石试样,通过将圆柱体一端面分割为不同数量的扇形凹面来量化描述节理分布形态,同时对两个节理分布形态相同的试样旋转不同角度获得不同节理接触面积的组合试样.分离式霍普金森压杆(SHPB)冲击试验结果表明:当组合试样的节理分布形态相同时,试样应力-应变曲线在加载段的非线性随节理接触面积减小逐渐增大,这反映了节理接触面积越小节理对试样加载初期的力学响应越明显;同样在组合试样的节理分布形态相同时,应力波透射系数和节理等效刚度均随节理接触面积增大呈线性增大;当组合试样的节理接触面积相同时,节理接触面几何分布越分散(扇形凹面数量越多)应力波透射系数和等效刚度越大,而且接触面积越大几何分布形态作用影响愈明显.     

等离子体对电磁波反射与吸收的统计分析

为降低反射电磁波能量和雷达的目标有效截面,用统计分析方法研究了雷达波在均匀非磁化等离子体中传播时所发生的反射、吸收与衰减;模拟了在厚度为10cm、密度在1016～1019m 3、碰撞频率在0.1～10GHz范围内的均匀等离子体中,电磁波频率在1～20GHz、服从均匀和正态2种分布情况时的反射、吸收与衰减.结果表明：对于不同电磁波频率概率分布,等离子体频率和碰撞频率对电磁波反射、吸收与衰减的影响本质相同,只是定量的差别;当电磁波频率服从不同分布时,反射系数、吸收系数与衰减量的分布不同.