压-压疲劳加载对2D-C/C复合材料导热性能的影响

对二维编织炭/炭复合材料(2D-C/C复合材料)进行压-压疲劳试验,疲劳加载条件分别为应力水平1000 N、2000 N和3000 N,循环周次为10~4、1×10~5、3×10~5次时,并测试其疲劳加载前后试样的导热性能,研究了压-压疲劳加载对其导热性能的影响.结果表明,压-压疲劳加载没有改变2D-C/C复合材料试样的热扩散系数随温度升高而减小以及比热容随温度升高而增大的基本规律,但是压-压疲劳加载使其热导率、热扩散系数随着应力水平和循环周次的增大而降低,而其比热容的变化较小.在压-压疲劳加载过程中,2D-C/C复合材料疲劳损伤的产生和积累导致其导热性能降低.     

SHTB的拉伸冲击波谱加载方法研究EI北大核心CSCD

为了理解动态变形和塑性流动过程中,加载历史和应变率变化对材料性能的影响,基于直接拉伸式Hopkinson杆原理,使用不同几何形状的反射杆代替凸缘法兰,在加载杆中连续产生多个不同幅值的加载冲击波,使材料在动态变形的过程中应变率阶跃变化。结果表明:(1)该方法可以将加载波的脉宽延长3倍以上,有利于进行低应变率、大变形的材料试验;(2)加载应力波的幅值阶梯变化,使试样在加载过程中应变率发生跳跃变化;(3)通过控制反射杆的长度可以有效控制加载脉冲的间隔,将材料的应变率效应和温度效应解耦,用于揭示不同脉冲幅值作用下试样变形损伤机制。试验证明,基于SHTB原理的拉伸波谱的加载方法可以快速、精准、稳定地实现对试样的连续多次动态加载。     

铝粉动态压缩动力学特性研究EI北大核心CSCD

为得到韧性粉末在动态压缩下的力学行为,采用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)对微米级铝粉进行了不同加载条件下的动态压缩实验。利用高速摄像机和红外测温系统(infrared temperature measurement system,ITMS)分别记录散斑场的发展和动态加载过程中铝粉试样的表面温度。从10^(-4) s^(-1)~3600 s^(-1)应变率范围内,铝粉应变率效应明显。数字图像相关法(digital image correlation,DIC)结果表明,试样整体变形不均匀,压缩前期试样压实由颗粒平动主导,后期转变为颗粒旋转和滑移主导。ITMS结果表明,与固体材料温升特性不同,加载后铝粉试样的辐射温度仍然上升。在铝粉试样中,由于有大量孔隙,颗粒在应力波驱动下加速运动,冲击能转化为颗粒动能,试样进一步压缩后,孔隙减少,颗粒运动受到限制,动能转化为颗粒内能,试样温度升高。     

轻质泡沫混凝土SHPB试验与分析

为研究轻质泡沫混凝土的冲击动力学性能,结合半导体应变测试技术和入射脉冲整形技术对铝质分离式Hopkinson压杆(SHPB)装置进行改进,解决了泡沫混凝土类低阻抗多孔介质材料透射信号难采集问题,满足了加载过程中试件内部应力均匀性要求。通过调整冲击气压对密度为220 kg/m3轻质泡沫混凝土实施了不同撞击杆速度下的单轴冲击压缩试验。试验结果表明,泡沫混凝土试件在冲击荷载作用下依次经历线弹性阶段、屈服阶段和孔壁破坏3个阶段,且泡沫混凝土试件平均应变率与撞击杆速度表现出较强的线性相关性。     

基于超高周三点弯曲的复合材料试验方法

针对复合材料的超高周疲劳问题,提出了一种基于超声疲劳实验装置对复合材料进行三点弯曲试验的方法;阐述了进行复合材料超高周疲劳试验的必要性;利用ABAQUS软件分析了变幅杆、连接杆及试件的模态,得出设计的该装置及试件的谐振频率满足试验需求;针对试验过程中的温升现象,提出了液氮与压缩空气复合式冷却系统。结果表明,该方法大大缩短了试验周期,提高了试验效率,消除了试样在高频加载过程中的热效应,保证了实验结果的有效性。     

复合材料层板冲击剪切实验技术研究

基于HOPKINSON杆冲击剪切试验技术、复合材料层板的材料性能及应用特点的分析,对“杆-管”冲击剪切动态力学性能实验技术进行了改进优化,解决了输入杆跳动、同轴调节困难、结果分散大等实验技术问题。根据输入杆、输出管和复合材料试样的匹配分析,确立了输入杆、试样和输出管针对动态冲击剪切实验的约束尺寸条件。通过有限元数值分析,研究了预置剪切间隙对冲击剪切的影响,研究认为0.2mm～0.3mm间隙设计对Ф14.5mm输入杆冲击 2mm～4mm层板试样的冲剪试验是合适的。冲击剪切实验数据表明,加载率对玻纤增强复合材料层板的动态剪切力学性能影响明显。     

双向拉伸Hopkinson斜杆加载方法的探索与研究EI北大核心CSCD

为了实现对材料的双轴同步拉伸加载,现已有通过双向电磁脉冲驱动,以及对称双曲杆产生的双向拉伸波的方式,对试样进行双向动态拉伸加载。试图探索一种结构简单,造价低廉,加工难度小的双向拉伸Hopkinson斜杆加载装置。为了理解斜杆对弹性压缩波传播规律的影响,对斜杆撞击进行了ABAQUS有限元仿真计算和理想验证试验分析。结果发现,斜杆夹角在低于60°和高于90°时,方波平台段出现前高后低的情形,导致波形失真,同时在夹角大于105°之后,失真更为严重。还对多轴加载的同步性问题和双轴加载的数据获取进行了讨论和分析。结果表明,加载波的不同步会导致试样上加载阶跃,从而加载应变率阶跃,这会影响率敏感材料的试验准确性。为了验证该装置的有效性,搭建验证装置对双向拉伸杆上的拉伸波形进行试验验证,取得了较好的试验结果。     

外物损伤对S38C车轴钢疲劳性能的影响

采用空气炮发射钨钢球弹体以不同角度撞击S38C车轴钢试样表面预制弹坑缺陷;利用四点弯曲疲劳试验法获得缺陷试样的疲劳强度;使用超景深光学显微镜表征弹坑的几何形态和截面组织;借助扫描电子显微镜观察弹坑和疲劳断口形貌.结果表明:在200 m/s冲击下,30°冲击对缺陷试样疲劳强度的影响较小,其余角度(45°、60°、75°和90°)冲击试样的疲劳强度随着冲击角度的增大而下降,其中90°冲击试样的疲劳强度较光滑试样下降约40％.弹坑底部会形成绝热剪切带(ASBs)以及由剪切带开裂形成的裂纹,倾斜冲击试样疲劳裂纹源主要位于弹坑出射区边缘材料失效处,垂直冲击试样疲劳裂纹从弹坑两侧扩展.损伤试样的疲劳强度随缺陷深度d和缺陷截面积平方根的增大有相似的下降趋势.     

单个冲击对不锈钢管道焊接头低周疲劳寿命的影响

完成了单个冲击对１Ｃｒ１８Ｎｉ９１不锈钢管道焊接头试样低周疲劳寿命影响的试验研究。单个试验最大瞬时峰值应变率达４８０ｓ＾－１。试样未经消除焊接残余应力。采用成组法试验（每组７个试样）,对称加载模式,总应变幅为０．００２２８。结果表明,冲击影响受到焊接残余应力和冲击塑性导入机制的耦合作用。焊接残余应力与冲击应力叠加将增加材料损伤,而冲击塑性导入将减缓疲劳损伤和降低疲劳寿命分散性。前者扼制后者。考虑疲     

高放废物地质处置新疆预选区天湖地段花岗岩的静态及动态力学特性研究EI北大核心CSCD

基于MTS815及SHPB装置,分别进行了高放废物地质处置新疆预选区天湖地段花岗岩的静态及动态力学特性试验。针对该区域的钻孔花岗岩岩芯,开展了一系列的静态拉伸、静态单轴压缩、动态拉伸、动态压缩,以及一维动静组合拉伸加载试验。特别是,该批次试验所用岩芯均取自同一深度处(深度360 m左右)的花岗岩,所获得的对比与分析结果对于同一岩石力学特性研究更有代表性意义。测试结果显示:该花岗岩的静态拉伸强度约为11.75 MPa,单轴压缩强度约为175 MPa。单轴压缩强度约为抗拉强度的14倍。在加载率为0.34×10~6~0.51×10~6MPa/s时,其动态拉伸强度约为25~35 MPa。在应变率为80~160 s^(-1)时,其动态压缩强度测试值区间为138~208 MPa。并且随着加载率或应变率的提高,无论是动态拉伸强度特性或动态压缩强度特性均随之增大,这说明了花岗岩的率相关加载效应特性。进一步的实施了该花岗岩的一维动静组合拉伸加载试验,发现随着轴向静压的增大,岩石的抗冲击强度呈现出先增大后减小的趋势。大约在静载抗拉强度的50%时,抗冲击拉伸强度达到最大值,随后平缓减小。并且,随着轴向静压的增大,岩石的动静组合拉伸强度亦随之快速增大,最大可达到静载拉伸强度的3倍,抗冲击拉伸动载的1.5倍。同时,在冲击破坏情况下,岩石组合加载破坏模式呈现拉伸破坏,与静态拉伸破坏及一般冲击下的劈裂破坏特征基本一致。综上表明,该地段试验深度处的钻孔岩芯,其力学特性较为稳定,从工程建造角度而言,可作为高放废物地质处置的一个参考预选地段。但试验获取数据尚未充足,需通过不同钻孔以及不同深度处岩石的动、静力学特性试验及渗透试验、地应力测试等其它试验项目,进一步深入研究其在不同轴向静压及不同冲击动载下,岩石承受的临界动载荷值等力学特性。该研究的试验数据与理论可支撑于深部地下工程的爆破开挖及高放废物的深地质处置。     

高放废物地质处置新疆预选区天湖地段花岗岩的静态及动态力学特性研究

基于MTS815及SHPB装置,分别进行了高放废物地质处置新疆预选区天湖地段花岗岩的静态及动态力学特性试验。针对该区域的钻孔花岗岩岩芯,开展了一系列的静态拉伸、静态单轴压缩、动态拉伸、动态压缩,以及一维动静组合拉伸加载试验。特别是,该批次试验所用岩芯均取自同一深度处(深度360 m左右)的花岗岩,所获得的对比与分析结果对于同一岩石力学特性研究更有代表性意义。测试结果显示:该花岗岩的静态拉伸强度约为11.75 MPa,单轴压缩强度约为175 MPa。单轴压缩强度约为抗拉强度的14倍。在加载率为0.34×10~6~0.51×10~6MPa/s时,其动态拉伸强度约为25~35 MPa。在应变率为80~160 s~(-1)时,其动态压缩强度测试值区间为138~208 MPa。并且随着加载率或应变率的提高,无论是动态拉伸强度特性或动态压缩强度特性均随之增大,这说明了花岗岩的率相关加载效应特性。进一步的实施了该花岗岩的一维动静组合拉伸加载试验,发现随着轴向静压的增大,岩石的抗冲击强度呈现出先增大后减小的趋势。大约在静载抗拉强度的50%时,抗冲击拉伸强度达到最大值,随后平缓减小。并且,随着轴向静压的增大,岩石的动静组合拉伸强度亦随之快速增大,最大可达到静载拉伸强度的3倍,抗冲击拉伸动载的1.5倍。同时,在冲击破坏情况下,岩石组合加载破坏模式呈现拉伸破坏,与静态拉伸破坏及一般冲击下的劈裂破坏特征基本一致。综上表明,该地段试验深度处的钻孔岩芯,其力学特性较为稳定,从工程建造角度而言,可作为高放废物地质处置的一个参考预选地段。但试验获取数据尚未充足,需通过不同钻孔以及不同深度处岩石的动、静力学特性试验及渗透试验、地应力测试等其它试验项目,进一步深入研究其在不同轴向静压及不同冲击动载下,岩石承受的临界动载荷值等力学特性。该研究的试验数据与理论可支撑于深部地下工程的爆破开挖及高放废物的深地质处置。     

乙烯基酯树脂浇铸体的高应变率压缩响应行为

利用电子万能试验机和分离式Hopkinson 压杆研究了乙烯基酯树脂浇铸体在准静态和高应变率下的压缩特性, 考察了试样压缩失稳和破坏的形貌。结果表明: 在准静态加载下(应变率为3.3 ×10 -4 / s～6.6 ×10-3 / s) ,材料呈韧性破坏, 失稳应力、失稳应变能密度均随应变率的提高而提高, 失稳应变随应变率的提高而降低; 在高应变率下(应变率为950/ s～5800/ s) , 材料呈脆性破坏, 失稳应力、失稳应变能密度均随应变率的提高呈增加趋势, 而失稳应变也随应变率的提高而提高, 这与准静态不同, 表明在高应变率下, 材料发生了“强迫高弹形变”。观察试样失稳和破坏后的形貌可以发现, 试样的破坏在失稳前正应力起主导作用, 失稳后切应力起主导作用, 使试样产生裂纹进而造成宏观破坏; 乙烯基酯树脂内部损伤的演化, 也依赖于应变和应变率。      

NiTi合金动态断裂过程的实验和数值方法研究

为获得Ni Ti合金的动态起裂韧度和动态扩展速度与动态加载率之间的定量变化规律。利用分离式霍普金森压杆(SHPB)测试系统对单边三点弯曲试样(SENB)进行冲击加载试验,采用实验-有限元相结合的方法,获得动态断裂参数随时间的变化规律。SENB试样裂纹起裂时刻和裂纹扩展速度由粘贴在裂纹尖端的裂纹扩展计(CPG)测定。采用上述方法和数据获得Ni Ti合金的I型动态起裂韧度和动态扩展速度。实验结果表明:裂纹扩展计测得的起裂时刻与粘贴在同一试样上的监裂应变片测得的结果基本相符,因此可以利用裂纹扩展计代替传统的监裂应变片来监测裂纹起裂时刻,并获得Ni Ti合金的起裂韧度。同时,可以利用裂纹扩展计(CPG)获得裂纹动态扩展过程,绘制出裂纹扩展速度与时间的关系曲线,从而探讨Ni Ti合金的动态断裂韧度和裂纹扩展速度与动态加载率之间的定量变化规律。     

Zr-W多功能含能结构材料的制备及动态压缩特性

利用材料试验机和分离式霍普金森压杆（SHPB）系统对加压烧结制备的Zr-W多功能含能结构材料在不同应变率下的压缩行为进行测试。通过在试样上直接贴应变片与波形整形技术相结合,实现了恒应变率动态加载。试验结果表明:该材料在准静态和动态加载下均呈现良好的线弹性,弹性模量对应变率效应不敏感,约为186 GPa。烧结生成的W₂Zr相显著提高了Zr-W材料的强度和脆性,试样在强冲击载荷作用下发生破碎反应并释放大量的热量,表现出很高的含能特性,动态破坏应变和破坏强度表现出一定的正应变率效应。      

简支梁受摆杆撞击时的动荷系数研究

从工程实用的角度对简支梁受摆杆撞击的过程进行了分析,将此种撞击按非完全弹性碰撞考虑,根据能量守恒的原理,应用撞击物——摆杆撞击简支梁试样前后的重力势能之差,给出了此种撞击形式的动荷系数计算公式。通过改装的冲击试验机和所配置的瞬态动应力测试记录系统,对简支梁试样受摆杆撞击时的动荷系数进行了测试。试验测取的动荷系数值与所给出的公式计算值得到较好的吻合,所给公式可以应用于此种形式撞击问题的动应力分析。     

超强钢18Ni(250)的剪切断裂韧性行为

针对马氏体时效钢18Ni(250)在动态拉伸和不同速度泰勒杆冲击下呈现剪切断裂破坏的特征,为了理解其剪切及Ⅱ型断裂韧性在复合型断裂中所起到的作用,借助Hopkinson拉杆装置,对18Ni(250)进行了高加载率下的复合受力试验。并根据该材料在不同加载率下剪切断裂模式的特征,重点对该材料进行了不同加载率下的Ⅱ型动态断裂韧性试验研究。结果表明:随着加载率的提高,18Ni(250)钢的起裂时间逐渐减小,但其Ⅱ型动态断裂韧性值不断增大;通过SEM微观分析发现,在不同加载率下18Ni(250)钢Ⅱ型动态断裂呈现以晶面滑移为主的绝热剪切特性。     

碳/环氧树脂复合材料应变率效应的实验研究

选择两种铺设方式( _S和 _S)的T300/Epoxy(炭纤维/环氧树脂)层合板, 利用MTS试验机以及Hopkinson拉伸杆分别对其进行了准静态拉伸试验(应变率为10-5~10-4 s-1)、 中应变率拉伸试验(应变率为100 ~101s-1)和高速冲击拉伸试验(应变率为102~104s-1)。静态、 动态实验的试件形状及尺寸均相同。获得了不同应变率加载条件下T300/Epoxy的应力-应变曲线。基于所获得的应力-应变曲线, 讨论了应变率对炭纤维增强复合材料力学性能的影响。研究结果表明: 复合材料T300/Epoxy是应变率相关的材料; 层合板的铺设方向对其应变率效应有着显著的影响; 随着应变率的增加, 材料的强度及弹性模量有较大程度的提高, 但破坏应变有所降低。通过对试验结果的数据拟合, 提出了材料应变率相关的动态本构模型。      

软材料的霍普金森压杆测试新技术

提出了一种用于软材料动态压缩性能测试的霍普金森压杆改进方案。该方案采用了长杆直接撞击试件的加载方式并在透射杆中使用半导体应变片。通过对测试过程中试件内应力波传播的分析,提出了实现软材料动态性能测试时试件内应力尽快均匀的最佳加载方式以及实现此种加载的加载整形技术。该方案能解决由于杆-试件之间波阻抗失配导致的应变信号微弱而测试困难的问题,与高聚物霍普金森压杆相比则具有更高的可靠性。该方案能实现对软材料的大变形、近似恒应变率及大应变率范围动态压缩测试。最后给出了一个试验性装置的测试结果。     

围压卸荷条件砂岩动静组合加载碎块分维特性

利用带轴向静压和主动围压加载装置的分离式霍普金森压杆试验设备,研究了砂岩试样在不同轴向静载等级(0MPa~72MPa)、不同冲击能量下的动态力学特性,结合分形理论和能量原理,分析高应力试样破裂块度分布规律及其能量的相关性。试验结果表明:在轴向静载一定的情况下,砂岩试样的动态压缩强度随冲击能量的增大而提高;试样发生临界破坏,冲击能量随轴向静载的增大出现先增加后减小,试样破坏形态由中心破裂向更为复杂的压剪破裂转变;在较高轴向静载下,碎块分维数与冲击能量之间呈现非线性递增关系,表明较小的冲击能量有助于诱发高轴向静载储能释放,提高砂岩试样破碎程度。     

铝粉动态压缩动力学特性研究

为得到韧性粉末在动态压缩下的力学行为,采用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)对微米级铝粉进行了不同加载条件下的动态压缩实验。利用高速摄像机和红外测温系统(infrared temperature measurement system, ITMS)分别记录散斑场的发展和动态加载过程中铝粉试样的表面温度。从10^-4 s^-1～3 600 s^-1应变率范围内,铝粉应变率效应明显。数字图像相关法(digital image correlation, DIC)结果表明,试样整体变形不均匀,压缩前期试样压实由颗粒平动主导,后期转变为颗粒旋转和滑移主导。ITMS结果表明,与固体材料温升特性不同,加载后铝粉试样的辐射温度仍然上升。在铝粉试样中,由于有大量孔隙,颗粒在应力波驱动下加速运动,冲击能转化为颗粒动能,试样进一步压缩后,孔隙减少,颗粒运动受到限制,动能转化为颗粒内能,试样温度升高。