PP/POE/SGF三元复合泡沫体的压缩吸能特性研究

在准静态单向压缩条件下,测试和分析了聚丙烯(PP)/乙烯-1-辛烯共聚物(POE)/短玻璃纤维(SGF)三元泡沫复合材料的压缩性能,考察了SGF的质量分数对压缩弹性模量、屈服强度和能量吸收特性的影响.结果表明:PP/POE/SGF泡沫复合材料的压缩应力-应变曲线具有典型的弹性变形、屈服平台和致密化三个阶段;适量SGF的引入提高了压缩弹性模量、屈服强度和吸能能力,而在研究的范围内,较高含量(20%以上)的SGF才能提高泡沫复合材料的吸能效率,其增强效果不如吸能能力明显.     

多晶Ti纳米柱塑性变形的分子动力学模拟研究

利用分子动力学模拟研究多晶Ti纳米柱的力学行为和位错反应机制，比较分析不同变形温度和承载条件对多晶Ti纳米柱应力应变关系及其塑性变形行为的影响。模拟结果显示，随着温度升高，多晶Ti纳米柱屈服强度降低，且在不同温度下，屈服强度所对应的应变量未发生明显变化。在整个变形过程中，主要的位错类型为Other和■类型位错，随着温度升高，位错总长度减小。多晶Ti纳米柱压缩变形与拉伸变形应变响应不对称，拉伸屈服强度略高于压缩屈服强度，晶界缺陷在拉伸变形中响应更加明显。     

基于面心立方孔洞堆砌模型的泡沫铝准静态及动态压缩模拟研究

以有限元分析软件 ANSYS 的 Workbench 为平台,以高孔隙率面心立方孔结构(Face centered cubic, FCC)的泡沫铝模型为对象,进行了准静态压缩和落锤冲击的有限元模拟。高孔隙率泡沫铝特指孔隙率(Porosity, Pr)在85%~90%之间的泡沫铝。已有的实验结果表明,孔隙率为90%的泡沫铝的准静态压缩下屈服平台应力值为3 MPa,当冲击应变速率在900 s-1以上时,其屈服平台的应力值稳定在7 MPa 左右;模拟结果与实验结果一致,并发现当应变速率达到35342 s-1后,泡沫铝的屈服平台应力值会再次大幅升高,达到14 MPa。根据泡沫铝压缩模拟的应力云图,揭示了不同应变速率下泡沫铝的吸能能力和变形模式的对应关系,并从结构变形的角度解释了泡沫铝的抗冲击吸能性能优于其准静态压缩的原因。     

一种弹芯用聚碳酸酯的动态力学性能研究及本构关系

为了研究一种弹芯用聚碳酸酯材料在冲击作用下的动态力学响应,利用材料试验机和SHPB装置对该材料在不同应变率条件下动静态压缩性能进行测试分析,获得了该聚碳酸酯材料不同应变率下的应力应变曲线,试验结果表明:聚碳酸酯材料的压缩过程呈现明显的黏弹性现象,其动静态屈服强度和模量随着应变率的增加而变大,塑性阶段表现为应变软化与应变硬化相互作用的结果,且不同应变率下塑性阶段的应力应变曲线切向模量近似相等;基于试验结果建立了描述聚碳酸酯材料大变形力学行为的黏弹塑性本构模型,并得到了该材料的本构方程。对比分析显示,该模型可以较准确地描述聚碳酸酯材料动静态压缩行为。     

热固性浇注 PBX 力学行为的影响因素探讨

利用拉伸实验、压缩实验、巴西实验对浇注黏结炸药（PBX）的力学行为进行了研究,探讨了影响浇注PBX 力学行为的因素。实验结果表明,浇注 PBX 的力学行为分为脆性断裂和延性断裂两种形式;在固化阶段的不同时间点浇注 PBX 的力学行为不同,当固化度为70％--80％时,浇注 PBX 表现出延性断裂的特征;当浇注 PBX 的固化度在80％以上时,药柱的力学行为受到固化温度和胶黏剂分子量等的影响。对于含有同一分子量端羟基聚丁二烯（HTPB）的浇注 PBX,固化温度越高,其力学行为越趋近于脆性断裂特征;经同一固化温度后,HTPB分子量越小,浇注 PBX 的力学行为越趋近于脆性断裂的特征。对产生上述现象的原因进行了分析。     

氧化铝陶瓷动态压缩强度的高压和高应变率效应

平面冲击压缩下材料由弹性到非弹性变形转变的临界值对应着材料的动态压缩强度,高压和高应变率强烈影响材料的强度。采用粘塑性比拟法建立了材料发生非弹性变形的动态屈服条件,并引入Drucker-Prager静态屈服准则,可以联合考虑动态压缩强度的高压和高应变率效应,据此提出了新的Hugoniot弹性极限表征形式。利用轻气炮进行了氧化铝陶瓷平板冲击实验,VISAR测试了样品的自由面速度历程,讨论了氧化铝陶瓷动态压缩强度的测定和存在的不确定性问题。     

闭孔泡沫铝的力学性能和吸能能力

在闭孔泡沫铝准静态压缩试验的基础上,研究了其力学性能、吸能能力。结果表明,闭孔泡沫铝单轴压缩应力-应变曲线呈现线弹性变形、塑性平台阶段、致密化阶段3个阶段;闭孔泡沫铝的压缩强度、吸能能力随着孔隙率的增大而减小,采用Gibson-Ashby模型分析闭孔泡沫铝的压缩屈服强度,吻合良好。并在此基础上,提出可供工程使用的多孔泡沫金属吸能能力公式,为其工程应用提供理论支持。     

利用分离式Hopkinson压杆技术研究浇注 PBX炸药的老化性能

利用分离式霍普金森压杆（SHPB）技术研究了HTPB/AP基浇注PBX炸药70 ℃下的老化性能和在不同应变率、不同老化时间、不同温度下的动态力学性能;同时,运用扫描电子显微镜分析了炸药在高应变力下的微观损伤结构。结果表明,高应变率下的应力应变大于低应变率下,应力应变具有应变率效应;随着老化时间的增加,高温试验条件下,浇注PBX炸药的失效应变从0.364减小到0.343,失效应变逐渐减小;低温试验条件下,浇注PBX炸药的失效应变在0到56 d时从0.32增加到0.34,之后基本保持不变。同时,微观、宏观损伤模式表明,界面脱黏和晶粒破碎两种损伤模式并存,应变率越高,晶粒的破碎作用越明显。     

温度、应变率对航空PMMA压缩力学性能的影响研究

本文利用INSTRON试验机和分离式Hopkinson压杆测试了航空有机玻璃在试验温度为299K～373K之间,两种准静态应变率(10-3,10-1 1/s)和一种动态应变率(550 1/s)下的压缩力学行为.试验结果表明:在准静态载荷下,随着温度的升高,材料的弹性模量和流动应力减小,在应变率为10-1 1/s时表现出明显的应变软化行为;在高应变率(550 1/s)下,随着温度的升高,材料的流动应力逐渐减小而破坏应变增大,当温度超过333K时也有应变软化现象发生;在相同温度下,随着应变率的升高,材料的流动应力增大,但破坏应变减小.通过观察变形后试样的形貌,可以认为试样内部的微裂纹是应变软化的主要原因.最后,ZWT粘弹性本构模型被用来对试验数据进行拟合,结果表明该模型能够较好地预测这种材料在应变8%以内的力学行为.     

共晶Si形貌对A356铝合金动态、准静态压缩力学性能及氢脆的影响

共晶Si形貌与A356铝合金的动态、准静态压缩变形下的力学性能及抗氢脆性能的影响密切相关。因此文章通过Material Test System (MTS)及霍普金森压杆(SHPB)测试变质前后A356铝合金的动态/准静态压缩力学行为，并采用电化学充氢方法研究合金的抗氢脆性能。结果表明，准静态压缩变形后，合金中板状共晶Si垂直于压缩方向破裂成颗粒状。细化后的共晶Si提高了合金的塑性，延缓了合金的失效。而动态压缩变形后，板状共晶Si变形不均匀，并且碎成块状的共晶Si的尖端在压缩过程中会切割基体，导致其附近出现裂纹等缺陷。随着应变速率增大，铸态A356合金的屈服强度及抗压强度逐渐增大，合金具有一定的应变速率敏感性。变质后，共晶Si得到细化，增大了Al/Si接触面积，共晶Si捕获原子氢后降低了其与基体的连结，导致合金在拉伸变形过程中裂纹更易沿其扩展，并且细化后的共晶Si会进一步降低合金的抗氢脆性能力。其中细化后残存的块状共晶Si在捕获原子氢后会出现脱粘现象，易成为裂纹萌发点。     

Microstructure,deformation and failure of polymer bonded explosives

Polymer bonded explosives (PBXs) are highly particle filled composite materials comprised of explosive crystals and a polymeric binder (ca. 5–10% by weight). The microstructure and mechanical properties of two pressed PBXs with different binder systems were studied in this paper. The initial microstructure of the pressed PBXs and its evolution under different mechanical aggressions were studied, including quasi-static tension and compression, ultrasonic wave stressing and long-pulse low-velocity impact. Real-time microscopic observation of the PBXs under tension was conducted by using a scanning electron microscope equipped with a loading stage. The mechanical properties under tensile creep, quasi-static tension and compression were studied. The Brazilian test, or diametrical compression, was used to study the tensile properties. The influences of pressing pressures and temperatures, and strain rates on the mechanical properties of PBXs were analyzed. The mesoscale damage modes in initial pressed samples and the samples insulted by different mechanical aggressions, and the corresponding failure mechanisms of the PBXs under different loading conditions were analyzed.     

高温处理后闭孔泡沫铝压缩性能及变形机理

目的 探究温度和孔隙率对闭孔泡沫铝材料压缩力学性能和变形机理的影响。方法 将孔隙率为84.3%～87.3%的泡沫铝试件在温度25～700 ℃内进行加热处理,对处理后的试样开展准静态压缩实验。结果 在准静态压缩条件下,闭孔泡沫铝材料在不同温度加热处理后的压缩应力–应变曲线均经历了3个阶段:弹性阶段、塑性平台阶段和密实阶段。孔隙率从87.3%减小到84.3%时,其弹性模量增大了44.4 MPa,屈服强度增大了0.39 MPa,平台应力增大了0.94 MPa。孔隙率为84.3%的泡沫铝,在25 ℃时,其弹性模量为141.4 MPa、屈服强度为4.25 MPa、平台应力为4.75 MPa;当加热温度为500 ℃时,弹性模量减小到了128.0 MPa、屈服强度减小到了4.22 MPa、平台应力减小到了4.51 MPa。结论 泡沫铝的弹性模量、抗压屈服强度和平台应力均随孔隙率的增加而减小;加热温度低于500 ℃以下时,泡沫铝材料力学性能变化很小,但屈服强度和弹性模量均小幅度降低;在压缩载荷下,泡沫铝的变形破坏模式呈现出先从试件铝基体较薄弱部分产生孔壁塑性变形、孔洞坍塌,并逐渐出现断裂压缩带,直至泡沫铝孔洞完全坍塌密实。     

中低应变率下砂岩动力特性试验研究

为研究岩石在中低速冲击下的动力特性,利用MTS和落锤冲击试验系统进行了红砂岩准静态和动态单轴压缩试验,获得了10-2-101.7 s-1应变率范围砂岩全应力-应变曲线。结果表明,中低应变率加载条件下,砂岩经历典型压密、弹性变形、非稳定裂纹发展至脆性破裂后阶段。随着加载应变率的提高,砂岩峰值应力及其对应应变、残余应变均逐步增加,破坏模式则由X状共轭剪切破坏转变为劈裂破坏;动态强度增长遵循热活化和宏观黏性机制联合作用规律;中低应变率下岩石的吸收总能量和弹性应变能随变形演化规律基本一致,且弹性应变能和较耗散应变能的应变率效应更为显著。     

Calcined and natural frustules filled epoxy matrices: The effect of volume fraction on the tensile and compression behavior

The effects of calcined diatom (CD) and natural diatom (ND) frustules filling (0–12 vol.%) on the quasi-static tensile and quasi-static and high strain rate compression behavior of an epoxy matrix were investigated experimentally. The high strain rate testing of frustules-filled and neat epoxy samples was performed in a compression Split Hopkinson Pressure Bar set-up. The frustules filling increased the stress values at a constant strain and decreased the tensile failure strains of the epoxy matrix. Compression tests results showed that frustules filling of epoxy increased both elastic modulus and yield strength values at quasi-static and high strain rates. While, a higher strengthening effect and strain rate sensitivity were found with ND frustules filling. Microscopic observations revealed two main compression deformation modes at quasi-static strain rates: the debonding of the frustules from the epoxy and/or crushing of the frustules. However, the failure of the filled composites at high strain rates was dominated by the fracture of epoxy matrix.     

强动载荷下焊接钢板力学性能及本构模型研究

为研究强动载荷下船用焊接钢板的力学性能。开展了典型船用焊接钢板母材、焊缝和热影响区的准静态拉伸试验、高温拉伸试验及SHPB动态压缩试验,分析了焊接钢板材料在不同应力状态下的力学行为,基于力学性能试验结果拟合了焊接钢板母材、焊缝和热影响区材料的本构模型。结果表明:准静态条件下,与母材相比,焊缝和热影响区材料的屈服强度与抗拉强度偏大,延伸率偏小;高应变率下,热影响区材料抵抗塑性变形的能力明显强于其他两种材料,且随着应变率的增加抵抗塑性变形的能力呈增强趋势;焊接板母材、焊缝与热影响区材料均表现出应变率效应和温度效应;热影响区是焊接板抗冲击性能相对薄弱的区域。建立的Johnson-Cook模型可以描述强动载荷下焊接钢板的力学性能。     

PBX-9501粘结剂状态方程及其力学性能的MD模拟

利用COMPASS力场,在不同压力和温度条件下对PBX-9501粘结剂体系进行了分子动力学模拟和静态力学分析。通过研究PBX-9501粘结剂的压缩行为,获得该材料在600K/700K下的等温压缩线,并采用不同状态方程对结果进行拟合处理,确定方程中的参数。模拟结果表明经典Tait和Sun状态方程适用于描述PBX-9501粘结剂的等温压缩行为。通过静态力学分析,得到体系各模量和弹性系数随温度的变化,分析发现随着温度升高,材料的刚性减弱,弹性增强。     

泡沫镍力学性能的实验研究

本研究在室温下控制位移,先以5mm/min的位移速度对泡沫镍进行了单轴拉伸、压缩实验,然后在不同应变率情况下进行了一系列单轴拉伸实验,得到了相应的应力-应变曲线,讨论了材料的应变率相关性.结果表明在普通拉伸试验范围内(准静态),改变变形速度会影响应力-应变曲线,屈服应力、强度极限随变形速度增大而下降;单轴拉伸时,应力应变关系明显分为线弹性变形、塑性变形、线性硬化和破坏4个阶段;单轴压缩时,具备其他泡沫材料受压典型应力-应变曲线的3阶段特征,即明显的弹性变形段、屈服平台段和紧实段.     

Damage evolution in Ti6Al4V–Al3Ti metal-intermetallic laminate composites

The crack propagation and damage evolution in metal (Ti6Al4V)-intermetallic (Al₃Ti) laminate composites were investigated. The composites (volume fractions of Ti6Al4V: 14%, 20% and 35%) were tested under different loading directions (perpendicular and parallel directions to laminate plane), to different strains (1%, 2%, 3%) and at different strain rates (0.0001 and 800–2000 s⁻¹). Crack densities and distributions were measured. The crack density increases with increasing strain, but decreases (at a constant strain) with increasing volume fraction of Ti6Al4V. Differences in crack propagation and damage evolution in MIL composites under quasi-static (10⁻⁴ s⁻¹) and dynamic (800–2000 s⁻¹) deformation were observed. The fracture stress does not exhibit significant strain-rate sensitivity; this is indicative of the dominance of microcracking processes in determining strength. Generally, the crack density after dynamic deformation is higher than that after quasi-static deformation. This is attributed to the decreased time for crack interaction in high-strain rate deformation. The effect of crack density, as quantified by a damage parameter, on elastic modulus and stress–strain relation were calculated and compared with experimental results.     

Strain Measurement Techniques in Explosives

Abstract:  Experiments to visualise the detailed microstructure of highly heterogeneous plastic-bonded explosives have utilised high-resolution moiré interferometry to measure localised deformations under quasi-static loading. The information obtained has proved valuable in the development of finite element material models, and offers the potential to isolate and examine the influence of particular microstructural features (like binder layer thickness, or explosive crystal size) on deformation characteristics. New insight into failure processes and the implications of ageing effects have been obtained. The experimental methods and modelling have broad applicability to microstructural studies of a variety of composites.