碳化硅与聚脲纳米复合材料拉伸力学性能和本构模型

聚脲作为一种涂层或夹层材料被用在爆炸冲击领域,对目标结构具有良好的防护作用.为研究聚脲材料的力学性能,利用万能试验机和分离式霍普金森拉杆试验装置对聚脲材料分别进行准静态和动态拉伸加载试验.得到碳化硅与聚脲纳米复合材料在低应变率(0.001～0.1 s-1)和高应变率(1260～4500 s-1)范围内的真应力-真应变曲...     

橡胶履带柔性复合材料的本构模型

橡胶履带性能是影响履带式行走装置使用寿命的关键因素之一。为准确表征橡胶履带在服役条件下产生的大变形、非线性和各向异性等力学行为,开展不同帘线偏角下橡胶-帘线复合材料单轴拉伸试验研究,分析帘线偏角对材料力学性能的影响,建立一种考虑橡胶与帘线相互作用的超弹性本构模型。基于粒子群优化算法和牛顿迭代法,提出一种模型参数寻优拟合方法。依次根据帘线偏角为90°、0°和15°的单轴拉伸数据拟合得到模型参数,并对帘线偏角为45°和60°的单轴拉伸数据进行预测,拟合曲线的决定系数R2分别为0.992 8和0.982 9,预测效果较为理想。对不同帘线偏角的单轴拉伸试验工况进行数值仿真,并与试验数据进行对比分析。结果表明,仿真结果与试验数据趋势基本一致,最大仿真误差约为10.86%,验证了所提模型的正确性以及与有限元分析的适应性。     

铝镁贫氧推进剂压缩力学性能及本构模型实验研究

为获得贫氧推进剂在压缩情况下的力学特性,运用单向压缩方法、显微镜及CCD图像传感器技术,研究了铝镁贫氧推进剂在常温下、不同压缩速率时的力学特性,得到其在压缩情况下的应力-应变关系、屈服应力和屈服应变与压缩速率之间的关系以及在压缩过程中推进剂表面形貌的变化.建立了贫氧推进剂压缩情况下的粘弹性本构模型.试验结果表明,贫氧推进剂在压缩情况下应力-应变关系分弹性段、应变软化段、塑性不稳定段和应变强化段;贫氧推进剂力学特性受压缩速率和温度耦合作用的影响,贫氧推进剂的破坏形貌没有明显的压缩速率效应;常温下,贫氧推进剂的屈服应力和屈服应变与压缩速率的自然对数呈线性函数关系;文中建立的粘弹性本构模型与不同应变率下的线粘弹性段试验结果符合较好.     

固体推进剂力学性能和本构模型的研究进展

从力学性能的实验测试方法、力学性能参数的确定以及本构模型的构建三个方面,对固体推进剂力学性能和本构模型的研究进展进行了综述,并在此基础上提出了当前研究中存在的不足和需要进一步重点开展的研究。分析表明:动态加载条件下和多轴应力状态下固体推进剂力学性能的实验测试方法是目前研究中的难点,针对该问题可以借鉴其它应变率敏感性材料的测试方法;固体推进剂力学性能参数的确定方面缺乏针对不同应力状态下力学性能参数相互之间关系的讨论和分析,亟待通过借鉴其它非金属材料的研究方法 /手段和基本结论来解决这一问题;固体推进剂的本构模型研究与实际需求还存在较大的差距,特别是动态加载条件下的大变形非线性粘弹性本构,而基于宏观方法构建含损伤积分型非线性粘弹性本构模型的思想在解决该问题上具有较大的优势,可以成为今后研究的重点,但损伤函数的推导和求解是难点,需要研究者根据动态加载条件下固体推进剂的变形进行合理的分析。     

弹道明胶动态力学性能试验与本构模型研究

弹道明胶被广泛用作生物医学和终点弹道中的软组织模拟物,其动态力学特性的准确测试一直是创伤弹道学领域重点关注的话题。为解决明胶材料在动态测试中出现的透射信号微弱、非均匀变形等问题,霍普金森压杆装置选用铝合金压杆搭配半导体应变片,同时采用波形整形技术及薄片试样等手段,开展4℃环境下浓度10%和20%弹道明胶的动态力学性能试验。试验结果表明：明胶的动态力学响应呈非线性,应力-应变曲线由弹性段及3个塑性强化段组成;应力动态增加因子与归一化应变率的对数呈线性关系;考虑应变率效应的多项式本构模型可较好地描述明胶在高应变率下的力学行为。研究成果可为轻武器杀伤元侵彻明胶靶标的数值仿真工作提供支撑。     

W-20Cu复合材料热变形行为及应变补偿本构模型

用Gleeble-3800热模拟试验机对W-20Cu复合材料进行热压缩试验,在应变率为0.001～1 s-1、变形温度为1073～1223 K下进行热变形,研究应变率和温度对力学性能的影响.考虑应变对材料本构参数的影响,基于Arrhenius模型,建立W-20Cu复合材料的应变补偿本构模型,通过误差分析对应变补偿本构模型的准确性进行验证.结果表明:峰值应力随温度升高而降低,随应变率增大而增大,相对于应变率,W-20Cu复合材料对温度更敏感.基于应变补偿的W-20Cu复合材料本构模型能较好的预测热变形过程中的流变应力,其预测值与试验值的线性相关系数为0.973,平均相对误差为3.418％.     

石墨烯增强铝基SiC复合材料力学性能研究

为研究石墨烯增强铝基SiC复合材料的力学性能,用万能材料试验机及分离式霍普金森压杆装置,在10~(-3)~5 200s~(-1)应变率内进行试验,计算得到常温条件下两组试验数据的真应力-应变曲线,用该压缩数据拟合Johnson-Cook(JC)及Cower-Symonds(CS)本构模型参数;并对两种压缩试验下的试件进行金相观察。结果表明:石墨烯增强铝基SiC复合材料具有明显的应变率硬化效应;拟合结果显示CS模型能更准确地描述该材料的应变率硬化效应;在宏观与微观下,裂纹均表现为向斜45°方向演化发展,在光镜下,将压缩试件在同一比例标尺下与原试件对比,准静态后的试件与动态压缩后的试件均发生整体颗粒细化,且随着应变率提高,沿裂纹方向的颗粒细化明显加剧。     

多次冲击下泡沫铝动态压缩力学性能试验与本构模型研究

基于分离式霍普金森压杆装置对泡沫铝试样进行多次冲击加载试验,研究泡沫铝在中低应变率下的动态压缩力学性能。通过分析泡沫铝破坏形貌、透波率、应力-应变曲线以及能量吸收效率随冲击加载次数的变化规律,研究了损伤累积对材料动态力学性能以及吸能特性的影响机理。试验结果表明：随着冲击次数的增加,泡沫铝内部胞孔结构逐步崩溃压实,对应力波的衰减作用减弱,弹性极限应力及对应应变均有增强效应,且多次冲击下的损伤累积效应有助于提高理想吸能效率。基于试验所得应力-应变曲线,将损伤累积变量引入Sherwood-Frost方程,建立泡沫铝材料多次冲击下损伤累积本构模型,分析了形状函数参考曲线对应损伤累积能量与多次冲击试验损伤累积能量差值对本构模型准确性的影响,并进行了试验验证。     

以RDX为基的浇注PBX力学性能与本构模型

为研究一种黑索今(RDX)基浇注高聚物粘结炸药(PBX)的力学性能与本构模型,利用INSTRON材料试验机及改进分离式Hopkinson压杆(SHPB)进行了准静态和动态单轴压缩实验,获得了材料在10-4~10-2s-1及843~1490 s-1应变率范围内的应力-应变曲线。结果表明:该浇注PBX的变形过程分为线性段、强化段和软化段。准静态加载下该浇注PBX具有明显的应变率效应,其弹性模量、压缩强度、临界应变与相对对数应变率之间近似呈线性关系;而在实验应变率范围内,动态加载下特别是加载初期应变率效应不明显,同时发现其破坏准则由应力控制,材料在12MPa附近发生破坏。借鉴推进剂及橡胶材料本构关系的研究结果,分别提出了能描述浇注PBX一维动、静态压缩力学行为的率相关本构模型,该模型与实验结果误差小于10%吻合较好。     

复合材料损伤分析及其本构关系

通过迭层复合材料板的基体横向裂纹和界面开裂两个常见损伤问题，论述了用微观力学方法，即把含不连续缺陷的弹性体处理为边值问题求解，以及用断裂力学的应变能释放率准则确定损伤萌生和扩的临界条件，最终都可以得到损伤本构关系。     

丁羟包覆层力学特性及本构模型研究

包履层是固体火箭发动机装药的重要组成部分,其力学行为影响着装药结构的完整性。为研究丁羟橡胶包覆层的拉伸力学性能,采用单轴拉伸实验方法拟合获取了Neo-Hookean、Yeoh、Mooney-Rivlin及Ogden超弹性本构模型的本构参数,对比分析了各模型对丁羟橡胶包覆层的适用性和精度。结果表明:丁羟橡胶包覆层具有显著的超弹特性,Neo-Hookean模型难以预示有限变形下丁羟包覆层的非线性特性,Yeoh模型可反映较大应变时的力学行为,而Mooney-Rivlin和Ogden模型可准确描述丁羟包覆层的力学特性,可应用于药柱/包覆层结构完整性的分析。     

锆基非晶活性材料动态力学性能及本构关系

为了获得新型锆基非晶活性材料在动态加载条件下的力学性能及本构关系,采用压力渗透铸造法制备得到锆基非晶活性材料样品,借助分离式霍普金森压杆实验测量系统对其进行了不同应变率加载条件下的动态压缩实验,获得了应变率在300～1600 s-1范围内材料的应力-应变曲线,利用高速摄影观察记录了不同应变率条件下试件的破碎以及释能过程.结果表明:锆基非晶活性材料性能表现为脆性材料特征,应力-应变曲线不存在屈服阶段,且当应变率由947 s-1上升至1587 s-1时,材料抗压强度由2.71 GPa上升至2.78 GPa,增幅较小,约为2.6％,而断裂应变由0.032下降至0.028,下降12.5％;材料的破碎程度以及释能反应现象随应变率增加较为明显,当加载应变率较大时,材料破碎过程中存在应变软化现象;根据实验数据,拟合得到了锆基非晶活性材料断裂失效前的一维弹脆性损伤动态本构方程.     

纳米纤维素晶须/硝化纤维素复合材料的制备与力学性能研究

以硫酸水解得到的纳米纤维素晶须（CNW）悬浮液为原料,以二氯甲烷和硝酸的混合物为硝化剂制备了能够稳定分散在丙酮中的表面硝酸酯化的改性CNW. 采用元素分析、红外、X射线衍射等手段对改性物的结构进行了表征和分析。将改性CNW与硝化纤维素混合,通过溶液浇铸法制备了一系列硝化纤维素纳米复合材料膜片。考察了改性CNW的添加量对膜片拉伸性能的影响规律。结果表明：当改性CNW的添加量为2.0%、3.5%、5.0%和7.0%时,硝化纤维素纳米复合材料膜片的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率都得到了不同程度的提高。其中,当改性CNW的添加量为3.5%时,膜片的综合力学性能最好,与空白膜相比,拉伸强度提高了21.7%,拉伸模量提高了32.7%,断裂伸长率提高了123.6%.     

双基发射药黏弹特性与本构模型研究

为研究双基发射药的黏弹性和力学响应特点,对双基发射药开展了黏弹特性与本构方程研究。通过拉伸、压缩、断面观察和应力松弛实验研究,明确了双基发射药的黏弹性质;然后以Reduced Polynomial （N=5）模型和Prony级数建立了双基发射药的超弹-黏弹模型,利用实验数据获取了模型参数;最后对所建立的双基发射药超弹-黏弹模型进行了验证。结果表明,双基发射药超弹本构模型对单轴拉伸应力应变的仿真结果与实验结果之间的误差不高于5.01%,超弹-黏弹本构模型对应力松弛的仿真结果与实验结果之间的误差不超过6.49%,说明建立的双基发射药超弹-黏弹本构模型能够较好地描述双基发射药的力学特性,能够为发射药力学性能研究提供重要的研究方法和仿真手段。     

一种含铝炸药压缩力学性能和本构关系研究

对某含铝炸药进行了准静态和动态压缩实验,得到了不同初始密度的材料在不同应变率下的应力-应变曲线;曲线表明,材料的压缩强度随初始密度及加载应变率的增大而增加;初步建立了材料在不同初始密度、不同应变率下的本构模型,拟合曲线与实验曲线吻合较好,对该炸药不同密度下的力学行为特征和应变率效应得到了较为系统的认识。     

炮钢材料动态本构模型及其验证

在温度88~573 K和应变率0.001~2 000 s^-1的条件下,通过温度与应变率耦合的静态和动态分离式Hopkinson压杆实验,并以初步获得的炮钢材料动态本构模型基本参数为基础,通过进一步的优化及Taylor杆冲击实验,验证并最终确认了炮钢材料动态本构模型参数,模型预测与实验结果相对误差小于5%. 验证结果表明,建立的炮钢材料动态本构模型能真实地反映其动态响应。