高应变率下多尺寸聚丙烯纤维混凝土动态压缩力学性能研究

采用Φ74mm的分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置,对两种尺寸聚丙烯细纤维和一种尺寸聚丙烯粗纤维单掺及混掺的混凝土试件进行冲击压缩试验,对比分析粗、细纤维及不同纤维掺量比的多尺寸纤维混凝土试件在五种不同应变率下的动态压缩强度、动态压缩变形、动态压缩韧性和破坏特征,研究聚丙烯纤维混凝土的动态压缩力学性能。结果表明:随应变率的增加,素混凝土及纤维混凝土的动态压缩强度、动态压缩变形和动态压缩韧性表现出显著的应变率效应;在试验应变率范围内,粗聚丙烯纤维混凝土的动态抗压强度最高,相对素混凝土增幅为132.36%~213.85%;多尺寸聚丙烯纤维混凝土的动态强度增长因子与素混凝土基本一致;掺入多尺寸聚丙烯纤维可有效增大混凝土在不同应变率下的动态峰值应变和动态极限应变;多尺寸聚丙烯纤维混凝土的动态极限韧性较高,其中细聚丙烯纤维含量为1.2kg/m~3时混凝土动态极限韧性最高,增幅为121.11%。     

基于SHPB试验的多尺寸聚丙烯纤维混凝土动态力学性能研究

选用两种聚丙烯细纤维及一种聚丙烯粗纤维,制备了9组纤维掺量比不同的混凝土试件。采用变截面大尺寸分离式霍普金森压杆(SHPB)进行了冲击压缩试验,研究了在0.4 MPa冲击气压作用下,不同纤维掺量比对混凝土抗冲击性能的影响,基于引入损伤的Z-W-T本构模型对试验结果进行拟合分析。结果表明,单掺粗纤维可提高混凝土的整体性,且能显著提高混凝土破坏前的抗冲击性能,单掺细纤维主要是提高混凝土破坏后的抗冲击性能,而混掺纤维混凝土各个时期的抗冲击性能均得到提高,其中多尺寸纤维混掺的效果最好。     

玻纤增强聚丙烯复合材料的应变率敏感特性

采用层合热压实验法将玻璃纤维基毡与聚丙烯薄膜复合制成不同玻纤含量的玻纤增强聚丙烯(GF/PP)复合板材,在不同的加载速率下进行拉伸测试,研究GF/PP复合材料的应变率敏感特性,分析Burgers模型对该材料本构关系拟合预测的可行性。结果表明:GF/PP复合材料在低应变率范围内对应变率是敏感的,随应变率的增加,其断裂应力和抗拉强度增大;随玻璃纤维含量的增加,其所对应的应变率效应反而有所下降。同时,Burgers模型能够有效地拟合预测出该材料的拉伸应力-应变曲线,与实验曲线相比,进一步验证了GF/PP复合材料的应变率敏感特性及其变化趋势。     

低应变率下混凝土动态拉伸破坏尺寸效应细观模拟

在混凝土静态破坏尺寸效应方面已取得了较完善的成果,而在动态破坏尺寸效应方面,包括其产生机制及对应的尺寸效应律的研究则非常匮乏。为探讨动态荷载作用下混凝土尺寸效应行为,从细观角度出发,结合混凝土细观结构特征,考虑动态加载下细观组分应变率效应的影响,建立了混凝土破坏行为研究的细观力学分析模型与方法。以双边缺口混凝土试件为例,对其在低应变率（10^-5 s^-1~1 s^-1）下混凝土动态拉伸破坏行为及尺寸效应进行细观数值模拟,并分析了应变率效应对动态破坏尺寸效应的影响。最后,结合应变率效应对强度及尺寸效应的影响规律—“强度增强效应”与“尺寸效应削弱效应”,在静态破坏尺寸效应律的基础上,建立了混凝土拉伸强度的“静动态统一”尺寸效应理论公式,并验证了理论公式的准确性和合理性。     

玄武岩纤维混凝土的动态力学性能

采用Φ100 mm分离式霍普金森压杆 (SHPB) 试验装置研究了不同纤维体积掺量的玄武岩纤维混凝土在不同应变率下的冲击压缩力学性能 , 并对试验的有效性进行了分析。结果表明: 玄武岩纤维混凝土的动态强度增长因子与平均应变率的对数近似呈线性关系 , 强度与变形能力随平均应变率的提高而线性增加 , 体现了很强的应变率相关性 ; 纤维体积掺量为 0. 1 %的玄武岩纤维混凝土较素混凝土的动态抗压强度提高了 26 % , 变形能力提高了 14 %; 纤维体积掺量分别为 0. 2 %、 0. 3 %的玄武岩纤维混凝土的动态抗压强度比素混凝土高出 25 %左右 , 而变形能力较素混凝土无明显优势 ; 在玄武岩纤维混凝土的 SHPB试验中 , 试件破坏时刻为 123. 3～239.μ45 s , 近似恒应变率加载时间比例约为 62 % , 且应变率曲线的波动范围控制在 23 %左右 , 能够较好地满足应力均匀分布及恒应变率加载要求 , 表明 SHPB试验结果可靠。      

中低应变率下闭孔泡沫铝动态力学性能研究

为探索闭孔泡沫铝的动态力学性能与吸能特性,基于万能材料试验机和高速液压伺服材料试验机在常温下分别对闭孔泡沫铝在准静态和中应变率下(0.001~100s^-1)的动态力学性能进行了测试,分析了不同应变率、不同相对密度和不同泡沫铝基体特性下闭孔泡沫铝的应力应变曲线特征和吸能特性变化。研究结果表明:中低应变率下的纯铝基体泡沫铝并不具备应变率效应,高脆性、相对密度较小的泡沫铝具备更好的吸能特性,塑性和脆性基体泡沫铝变形带分别呈现“V”形和“X”形,脆性基体泡沫铝同样不具备应变率效应。     

基于细观模拟的混凝土动态压缩强度尺寸效应研究

在混凝土静态破坏尺寸效应方面开展的研究已经较为完善,而在动态破坏尺寸效应方面的研究还远没有形成一个统一的认知。混凝土尺寸效应根源于内部组成的非均质性,从细观角度出发,考虑材料非均质及细观组分的应变率效应,将混凝土看作由骨料、砂浆及界面过渡区组成的三相复合材料,建立了混凝土动态破坏行为研究的细观数值分析方法,对不同应变率（1×10^-5 s^-1~2×10² s^-1）及不同尺寸方形混凝土试件单轴压缩破坏行为进行模拟与分析。数值结果表明：混凝土动态与静态加载下压缩强度尺寸效应规律存在明显差异,在动态压缩强度尺寸效应规律中,存在一个临界应变率（约为1 s^-1）,即：低于临界应变率时,应变率增大时,压缩强度随试件尺寸增大而减小,且尺寸效应逐渐被削弱;达到临界应变率时,混凝土动态压缩强度与尺寸无关,尺寸效应被完全抑制;高于临界应变率时,应变率增大时,压缩强度随试件尺寸增大而增大,尺寸效应逐渐增强。最后对混凝土动态强度尺寸效应的产生机理进行了分析与讨论。     

高强高模聚乙烯纤维力学性能的应变率和温度效应

利用MTS810材料试验机、旋转盘式杆-杆型冲击拉伸装置和温度控制箱,在温度20℃~110℃、应变率为0.001/s~700/s范围内,对高强高模聚乙烯纤维束进行了准静态和高应变率冲击拉伸实验,得到了不同温度、不同应变率时纤维束的应力-应变曲线。结果表明:高强高模聚乙烯纤维束的初始弹性模量具有应变率和温度相关的特性,随应变率提高而增加,随温度提高而下降;在常温下,破坏应力从准静态到动态,具有明显的应变率相关性,随应变率提高而增加,但在20℃~110℃范围内、高应变率下,对应变率变化不敏感;失稳应变也具有应变率和温度相关的特性,随应变率提高而减小,随温度提高而增大。在高应变率下,断裂应变能密度主要由初始弹性模量和失稳应变共同决定,受温度效应和应变率效应的综合影响。     

玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土的高应变率力学行为

采用Φ100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)系统研究了玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土(BFRGC)的高应变率力学行为,包括抗压强度、变形及能量吸收特性的应变率效应问题。结果表明：地质聚合物混凝土材料的高应变率力学性能呈现出显著的应变率相关性;BFRGC的强度特性相对于地质聚合物混凝土(GC)无明显改善,而变形及能量吸收能力较 GC有明显提高。     

高应变率下阻尼铝合金的动态力学性能研究

针对航空用高阻尼铝合金在高应变率载荷下的服役特征,研究了两种高阻尼铝合金在高应变率下的动态力学性能.采用分离式霍布金森(Hopkinson)压杆对高阻尼铝合金进行了动态压缩实验,获得了应变率(140,275,500s-1)对材料应力-应变曲线的影响规律,并同普通铸造铝合金ZL101A的动态压缩力学性能进行比较分析.结果表明:高阻尼铝合金在高应变率下的力学性能明显优于普通铸造铝合金;第一种高性能阻尼铝合金的动态压缩力学性能优异.第二种高性能阻尼铝合金随着应变率的提高,材料的弹性模量和应力均有所下降,但是形变强化效果显著.     

High Strain Rate Compressive Tests on Wood

Abstract: The penetrating split Hopkinson pressure bar was used to study the response of dry maple wood under high strain rate impact load. Using longer bar and shorter specimens utilised the assumption of one‐dimensional stress waves travelling along the bars and specimen because the experiment fulfilled the ratio of diameter to length of bars condition in Kolsky bar experiments. The stress–strain relationships and behaviour of the fibre structure materials’ failure were investigated during the compressive dynamic tests at strain rates between 950¹ and 2000 s^?1. The mechanics of dynamic failure was studied and it was confirmed that deformation of specimen is a linear function of energy absorption by specimens.     

冲击荷载下纳米碳纤维混凝土的动态受压力学特性

为探究纳米碳纤维混凝土的动态受压力学特性,本研究利用Φ100 mm分离式霍普金森压杆装置,分别对素混凝土及体积掺量为0.1％、0.2％、0.3％、0.5％的纳米碳纤维混凝土试件开展冲击压缩试验,对比分析了混凝土在5组不同应变率水平下混凝土的动态抗压强度、动态压缩变形和冲击韧性的变化特征.结果表明:各掺量下纳米碳纤维对混凝土动态抗压强度、动态压缩变形和冲击韧性均具有不同程度的增强作用.纳米碳纤维掺量为0.3％时对动态抗压强度的增强效果最佳;纳米碳纤维仅在0.2％掺量时对混凝土动态弹性模量表现为提升作用,其他掺量下反而使其动态弹性模量有所下降.素混凝土及纳米碳纤维混凝土的动态抗压强度、冲击韧性和动态弹性模量均随应变率水平的提高而逐渐增大,表现出显著的线性关系.动态峰值应变、极限应变虽整体上随应变率的上升呈递增趋势,但二者并不存在明显的线性相关性.适量纳米碳纤维的掺入能够发挥小尺寸效应及增强、阻裂作用,改善基体的微观结构,提升混凝土在冲击荷载作用下的动态受压力学特性.     

纤维早强混凝土不同龄期的动态力学性能

早强混凝土在抢修、抢建及特殊工况中应用较广,其早期动态力学性能对其正常使用、安全评估等具有重要意义。制备了纤维体积掺量为0%、0.1%、0.2%和0.3%的玄武岩纤维早强混凝土,利用Φ100mm分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对其1d、7d和28d的动力学性能展开研究。结果表明:玄武岩纤维早强混凝土动态力学性能具有显著的应变率强化效应,动态压缩强度和比能量吸收均随着应变的升高而显著增强;随着龄期的增加,早强混凝土的动态抗压强度和比能量吸收均增大,且均表现出前期增长迅速,后期增长缓慢的规律,在对比欧洲混凝土协会(CEB)等给出的应变率增长因子(DIF)计算公式后,提出了基于龄期增长的DIF计算模型;掺入玄武岩纤维对早强混凝土不同龄期的动态抗压强度和吸能性能均有不同程度的提升,纤维掺量越大,性能改善越明显。     

冲击载荷下环氧树脂动态压缩力学响应实验研究

为了从细观角度研究碳/环氧复合材料的动态力学性能,利用分离式霍普金森压杆实验装置对其组分材料TDE86#环氧树脂体系进行动态冲击压缩实验,获得不同应变率加载条件下环氧树脂的应力一应变曲线,基于应力-应变曲线分析了应变率对环氧树脂动态压缩力学性能的影响.研究结果表明:环氧树脂具有明显的应变强化效应,随着应变率的增加,环氧树脂的强度基本没有变化,最大应力时的应变逐渐减小,动态模量和压缩刚度有很大程度的提高.     

High Strain Rate Compressive Tests on Woven Graphite Epoxy Composites

The behavior of composite materials may be different when they are subjected to high strain rate load. Penetrating split Hopkinson pressure bar (P-SHPB) is a method to impose high strain rate on specimen in the laboratory experiments. This research work studied the response of the thin circular shape specimens, made out of woven graphite epoxy composites, to high strain rate impact load. The stress-strain relationships and behavior of the specimens were investigated during the compressive dynamic tests for strain rates as high as 3200 s⁻¹. One dimensional analysis was deployed for analytical calculations since the experiments fulfilled the ratio of diameter to length of bars condition in impact load experiments. The mechanics of dynamic failure was studied and the results showed the factors which govern the failure mode in high strain deformation via absorbed energy by the specimen. In this paper, the relation of particle velocity with perforation depth was discussed for woven graphite epoxy specimens.     

高应变速率下稀土镁合金的动态压缩性能研究

采用准静态试验机和分离式霍普金森杆（SHPB）对稀土镁合金进行压缩实验,并利用金相显微镜和扫描电镜进行显微分析,研究动态压缩下的力学性能,并探讨塑性变形和断裂的机制。结果表明：稀土镁合金的动态压缩应力-应变曲线对应变速率有一定的敏感性,塑性变形方式为滑移和孪生共同作用,断裂机制表现出对应变速率的敏感性。     

三相存在下聚丙烯/纤维复合发泡材料的力学性能

采用密炼方式分别制备碳纤维(CF)、玻璃纤维(GF)、芳纶纤维(AF)增强聚丙烯(PP)母粒,通过注塑成型制备相应的聚丙烯/纤维复合发泡材料,研究了3种纤维对微发泡聚丙烯/纤维复合发泡材料力学性能的影响。结果表明,PP/CF复合发泡材料的综合性能提高的幅度最大,其中拉伸、压缩、弯曲强度分别提高了100.9%,80.4%,126.5%;PP/AF复合发泡材料的韧性最好,相对于纯PP提高了151.2%;并且,PP/CF复合发泡材料的泡孔参数最好,泡孔尺寸为28.97μm,泡孔密度为8.58×106cm~(-3),泡孔尺寸分布达到9.22μm。