高加载率SHPB试验分析原理的再研究

从实验、理论与数值模拟的结合上,对于高加载率的SHPB试验原理提出一种新理念。一方面采用一维有限差分方法对SHPB试验原理进行全过程数值模拟,考察SHPB试验经典分析方程对于高加载率情况的适用性;另一方面把SHPB试验经典分析确定的试件材料本构关系嵌入SHPB试验全过程数值模拟,考察数值模拟再现高加载率SHPB试验测得的反射波形及透射波形的可能性。通过对高加载率SHPB试验的数值实例,指明了如同Wu等揭示的实验规律:试件两端的应力平衡依赖于试件厚度及加载率。     

应变率对硫化橡胶压缩力学性能的影响

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)和材料实验机MTS810对硫化橡胶进行动态和准静态单轴压缩实验,获得硫化橡胶的应力-应变响应曲线,研究了应变率对其压缩力学性能的影响。实验结果表明,硫化橡胶在低应变率时的应变率效应不明显,然而在较高应变率时,应变率对其动态应力-应变关系有明显的影响,弹性模量、屈服应力以及流动应力都随应变率的增大而增大。采用基于应变能函数理论的橡胶本构模型来描述硫化橡胶压缩荷载下的力学行为。数值模拟了硫化橡胶的应力-应变历程,并与实验数据进行比较,结果显示两者吻合良好。     

钢/尼龙夹层板动态压缩力学性能研究

为研究钢/尼龙夹层板的适用性,对夹层板的动态压缩力学性能进行仿真和试验研究。利用有限元软件LSDYNA对霍普金森压杆(SHPB)实验进行数值模拟,结果表明钢/尼龙夹层板是一种应变率敏感性材料。基于朱王唐(ZWT)非线性粘弹性模型拟合得到不同厚度比的钢/尼龙夹层板的动态压缩本构方程。经实验验证,本构方程具有较高精度,可以用于对该类夹层板动态压缩力学性能的预测,同时也证明该文的SHPB实验的数值模拟方法正确性。     

普通混凝土HJC本构模型参数确定

Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型广泛应用于冲击爆炸作用下混凝土类材料的动态响应分析中。基于已有普通混凝土(单轴抗压强度≤60 MPa)的准静态单轴压缩实验、三轴围压实验、一维SHPB实验和一维平面应变Hugoniot冲击压缩实验数据,确定了一组适用于不同强度普通混凝土材料HJC本构模型的强度参数、率效应参数和状态方程参数取值。基于上述确定参数值通过LS-DYNA有限元分析软件,对十五组普通混凝土(单轴抗压强度13.5~58.4MPa)靶体的刚性弹体侵彻贯穿实验进行了数值模拟。通过与实验中弹体侵彻深度,贯穿残余速度以及弹体过载和靶内径向应力时程结果对比,验证了所确定模型参数的准确性。     

蜂窝纸板一维动态本构关系及应用

为了在蜂窝纸板一维压缩应力-应变曲线基础上建立其一维本构关系,首先得到蜂窝纸板在应变率0.0017/s~114.3/s范围内的试验压缩行为。试验结果表明蜂窝纸板呈现较强的率相关性,这是由于蜂窝结构的横向惯性作用引起的。基于最低应变率0.0017/s压缩载荷下的应力-应变数据,提出了形状函数,用于精确拟合蜂窝纸板应力-应变曲线所表现的线弹性、应力软化、屈服平台和压实等四个典型特征。然后在形状函数的基础上,考虑应变率的影响,得到蜂窝纸板一维动态本构关系。最后研究了易损件-产品主体-蜂窝纸板缓冲系统在跌落冲击载荷下的冲击响应,得到缓冲系统的最大加速度-静应力曲线,所得出的结论可以直接用于具有易损件物品的缓冲设计。     

铝合金7050-T7451高温高应变率本构方程及修正

通过分离式霍普金森压杆(SHPB)及准静态压缩实验研究铝合金7050-T7451高温高应变率下流变应力特征,利用准静态实验数据获得本构方程应变强化参数,利用SHPB实验数据获得室温下不同应变率(400～2500s-1)的应变率强化参数,以及应变率为2500s-1不同温度下(250～600℃)的热软化参数。利用不同幂次多项式对Johnson-Cook本构方程的热软化项拟合,最终选择五次多项式作为修正后本构方程热软化项。利用修正后本构方程对不同温度条件下应力-应变曲线进行预测,实验数据与预测曲线表现出良好一致性。     

不同饱水度红砂岩静态本构关系及动态力学性能研究

基于电液伺服压力试验机和φ100 mm SHPB试验平台,分别对四种饱水度红砂岩试样进行静态压缩试验和六种应变率的动态冲击试验;借鉴宏观唯象损伤力学概念及Lemairte损伤模型,依据不同饱水度红砂岩静态压缩试验结果,拟合得到分段式水软化-应变损伤本构关系,最后利用所得本构关系,对静态压缩试验结果进行合理分析;SHPB冲击试验结果表明:(1)各饱水度红砂岩均呈现出明显的应变率效应,峰值应力、峰值应变及峰值模量均随着应变率的增大而增大;(2)在水-岩-力的响应体系中,既存在水对岩石的软化作用,同时又存在应变率、孔隙水以及岩石结构之间的动力耦合强化作用,这两种作用始终存在,但随着应变率的变化,两种作用的效能发挥有所浮动,进而影响红砂岩所呈现出的性能。     

碾压混凝土HJC动态本构模型修正及数值验证

研究高应变率冲击爆炸荷载作用下水工碾压混凝土大坝结构的动力响应,离不开对筑坝材料动态力学特性和本构关系的深入认识。参考实际水工混凝土大坝筑坝材料的配合比和施工方式,制备碾压混凝土试样,分别开展了静态压缩试验和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验,以探求碾压混凝土的动态力学特性。基于静、动态力学试验结果,对目前多用于描述混凝土类材料高应变率下力学行为的HJC模型的强度面、应变率增强效应和破坏准则进行了修正,并利用有限元计算手段,建立SHPB试验的数值模型,以验证修正HJC模型的有效性。结果表明:碾压混凝土在高应变率冲击荷载下的动态力学特性表现出明显的应变率效应,动态压缩强度随应变率增加而提高,且与试样尺寸有关。基于试验数据的改进HJC模型有效预测了碾压混凝土在高应变率冲击荷载作用下的动态力学行为,数值计算得到的重构应力——应变曲线基本与SHPB试验结果吻合,采用最大主应变失效准则模拟得到了与SHPB试验加载过程中接近的试样损伤破坏模式,研究成果可用于碾压混凝土结构的抗冲击爆炸设计中。     

玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土的动态本构模型

以矿渣与粉煤灰为原材料制备玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土(BFRGC),采用φ100mm分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对BFRGC进行了冲击压缩试验,并对SHPB试验过程中的波形整形技术展开了研究,以此来提高材料SHPB试验的精度。通过SHPB试验,获得了BFRGC在10s-1―102s-1应变率范围内的应力-应变曲线,分析了BFRGC的强度和变形性能,并建立了BFRGC的率型非线性粘弹性本构模型。通过试验对模型进行验证,模型曲线与试验曲线吻合良好,该文建立的率型本构模型可以较为准确地描述BFRGC的动态力学行为。     

X80管线钢的动态力学性能研究

为了研究高钢级管线钢X80的动态力学行为,利用分离式霍普金森压杆(简称SHPB)测量了X80钢在多种应变率(ε=500,1500,2500s-1)下的应变波形,用快速傅里叶变换对波形进行弥散修正,得到在不同应变率下的应力应变关系。基于实验获得的数据,对在有限元商业软件中广泛采用的Johnson-Cook动态强化模型进行拟合,得到X80钢在不同应变率下的Johnson-Cook本构模型的基本参数,计算结果与实验数据基本吻合。根据动态试验获得的数据而确定X80钢的动态本构关系,为研究X80钢高压埋地输气管道在各种冲击载荷作用下的动态响应提供了重要依据。     

Correlation between the accuracy of a SHPB test and the stress uniformity based on numerical experiments

Split Hopkinson pressure bar (SHPB) has become a frequently used technique to measure the uniaxial compressive stress–strain relation of various engineering materials at high strain rate. Using the strain records on incident and transmitter bars, the average stress, strain and strain rate histories within the specimen can be calculated by SHPB formulae based on one-dimensional wave propagation theory. The accuracy of a SHPB test is based on the assumption of stress and strain uniformity within the specimen, which, however, is not always satisfied in an actual SHPB test due to the existence of some unavoidable negative factors, e.g., friction and specimen size effects. Two coefficients are introduced in the present paper to measure the stress uniformity in axial and radial directions of the specimen in a numerical SHPB test. It is shown that the accuracy of a SHPB test can be correlated to these two stress uniformity coefficients. An assessment and correction procedure for SHPB test results is illustrated through a numerical example.     

A novel constitutive model for Ti–6Al–4V alloy based on dislocation pile-up theory

The mechanical properties of the titanium alloy Ti–6Al–4V, which vary with the specimen size under different temperatures, are studied through the Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) test and the quasi-static tensile test to determine the parameters for the classical Johnson-Cook (JC) constitutive model. Based on the dislocation pile-up theory, the classical JC constitutive model is modified by adding a grain strain term Δσ to consider the influence of grain size. The SHPB and tensile tests are analysed using a finite element method simulation. Compared with the experimental results, the simulation results based on the modified JC model exhibit a much higher calculation accuracy than that of the classical JC model.     

AISI D2钢力学性能尺寸效应实验研究

为研究AISI D2钢力学性能尺寸效应现象,在常温下采用电子万能试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置对3种不同剪切带宽度(分别为800,400,50μm)的帽形试样进行了准静态和动态加载实验.实验结果表明,流动应力和失效应变随着剪切带宽度的减小而增大,但产生流动应力和失效应变尺寸效应现象的剪切带宽度不同.基于应变率强化项修正的Johnson-Cook本构模型,通过实验数据拟合得到材料的本构关系.研究表明,修正的Johnson-Cook本构模型与实验结果吻合较好.     

Refining constitutive relation by integration of finite element simulations and Gleeble experiments

Thermo-mechanical coupled finite element calculations were carried out to simulate the Gleeble compression of the samples of a titanium alloy (Ti60), and the results are analyzed and compared with the actual compression tests conducted on a Gleeble 3800 thermo-mechanical simulator. The changes in temperature, stress and strain distribution in the samples and the source of error on the constitutive relations from Gleeble hot compression test were analyzed in detail. Both simulations and experiments showed that the temperature distribution in the specimen is not uniform during hot compression, resulting in significant deformation inhomogeneity and non-ignorable error in the flow stress strain relation, invalidating the uniform strain assumption commonly assumed when extracting the constitutive relation from Gleeble tests. Based on the finite element simulations with iterative corrections, we propose a scheme to refine the constitutive relations from Gleeble tests.     

Study on energy properties and failure behaviors of heat-treated granite under static and dynamic compression

Abstract

The material testing machine and the split Hopkinson pressure bar (SHPB) were adopted, respectively, to conduct the static and dynamic compression tests on granite specimens heat treated by different temperatures. The effects of strain rate and heat-treatment temperature on the mechanism of energy evolution of the specimen during deformation and failure process were studied. The results show a significant strain rate effect on the granite, with the energy dissipation density increasing with increasing impact velocity (or strain rate), regardless of the treatment temperature. The specimens heat treated at 300?°C and 700?°C have the minimum and maximum energy dissipation densities, respectively. The specimen in the SHPB tests easily broke into pieces or even powder; while under static compression, only macroscopic fracture surfaces and spalling phenomenon on the specimen were detected. The energy dissipation density is inversely proportional to the compressive strength of the specimen. The rate of energy dissipation change is defined, which can be used to identify the stages in the deformation process of rock and to determine the position of the failure point in the stress-strain curve. For both the dynamic and static compression tests, the value of energy utilization ratio is relatively low, with a maximum value of about 35%.     

冲击载荷下玄武岩纤维增强混凝土的动态本构关系

为了研究玄武岩纤维增强混凝土的动态本构关系,利用Ф100mm分离式霍普金森压杆装置,对玄武岩纤维增强混凝土进行冲击压缩试验,得到了动态应力-应变曲线,对试验数据进行了分析,根据试验结果,通过叠加应变率强化效应和损伤软化效应,对混凝土静态Ottosen非线性弹性本构模型进行修正,建立了玄武岩纤维增强混凝土损伤型的动态本构模型,确定参数并将理论模型计算结果与试验结果进行了对比。研究表明,玄武岩纤维增强混凝土的动态性能存在明显的应变率强化效应,动态强度增长因子和峰值应变与应变率对数之间存在近似函数关系;建立模型的方法可行,理论模型计算结果与试验结果吻合较好,建立的本构模型可用来描述玄武岩纤维混凝土的动态力学行为,并能为玄武岩纤维增强混凝土的进一步研究和工程应用提供参考依据。     

2024-T42铝合金低中应变率力学性能及本构关系

为研究2024-T42铝合金的低中应变率力学性能和本构关系,采用电子万能实验机和高速液压伺服材料实验机,进行常温下2024-T42铝合金准静态、低中应变率拉伸实验,得到材料在不同应变率下的应力-应变曲线。考虑颈缩对真实应力-真实应变的影响,采用仿真反演方法对颈缩后的真实应力-真实应变曲线进行修正,并基于Johnson-Cook本构模型进行拟合。结果表明:2024-T42铝合金在低中应变率范围的率敏感性较弱;但具有较强的应变硬化效应;基于仿真分析的反演修正方法能较好重构材料颈缩点后的真实应力-真实应变曲线;并通过铝管压溃实验和仿真分析,验证了反演修正方法的合理性和所获本构模型参数的准确性。     

一种描述温度与应变率效应的大应变非线性热粘超弹本构模型

通过橡胶材料在不同温度及应变率下的霍普金森杆冲击试验(SHPB),结合粘弹、超弹理论,建立了一种能反映橡胶材料温度、应变率效应的大应变非线性热粘超弹性本构模型,并开发了相应模型的ABAQUS(VUMAT)软件材料用户子程序。数值模拟很好地再现了橡胶片的SHPB试验,验证了本构模型及材料用户子程序的有效性。     

6013-T4铝合金不同温度下的动态流变应力及组织演变

采用分离式霍普金森(SHPB)压杆装置进行6013-T4铝合金动态压缩试验,获得温度为25℃、100℃、200℃、300℃、400℃,应变速率为1 000s~(-1)、2 000s~(-1)、3 000s~(-1)、4 000s~(-1)、5 000s~(-1)条件下材料的真应力-真应变曲线,并通过透射电子显微镜(TEM)观测了6013-T4铝合金在不同变形条件下的组织演变。结果表明:6013铝合金有明显的温度敏感性,但是对应变速率的敏感性较弱。应变速率和温度对6013铝合金微观组织的影响显著,位错密度随应变速率的升高而增大,随温度的升高而减小。基于实验数据,求得了6013铝合金Johnson-Cook模型的本构参数并建立其本构模型。与实验结果进行对比,结果表明,所建立的本构模型能够很好地预测6013铝合金的流变应力。