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。     

玄武岩纤维混凝土的冲击力学行为及本构模型

采用Φ100mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置研究了玄武岩纤维混凝土在不同应变率下的冲击力学行为,并将其与基体混凝土进行对比分析;采用朱-王-唐(ZWT)模型,在试验研究的基础上,建立了考虑纤维三维随机分布效应的玄武岩纤维混凝土非线性粘弹性本构模型,并与SHPB试验结果进行比较。结果表明:玄武岩纤维混凝土的冲击压缩强度与能量吸收能力,较素混凝土有明显提高,具备优异的冲击力学性能;本构模型提供的理论曲线与试验曲线比较接近,改进后的ZWT模型可以较为准确地描述玄武岩纤维混凝土的高应变率力学行为。     

强冲击载荷下混凝土动态本构关系

利用一级轻气炮对混凝土靶板进行冲击压缩试验,测量出不同冲击速度下的压力-时间信号曲线。采用拉氏分析方法对实验数据进行分析,得到了流场中各力学量沿时-空的分布规律,从而得到混凝土材料应力-应变试验曲线。在试验研究及拉氏分析的基础上,分析混凝土材料在强冲击载荷下的动态本构特性。最后,结合损伤率型演化和粘弹性理论,建立了混凝土材料的损伤型粘弹性本构方程。数值拟合表明理论预示与试验吻合良好。     

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。     

纤维增强地质聚合物混凝土早期冲击力学性能的对比研究

为对比研究玄武岩纤维和碳纤维对地质聚合物混凝土（geopolymeric concrete ,GC）早期冲击力学性能的改善效果,首先以矿渣与粉煤灰作为原材料,并采用液体硅酸钠与NaOH作为碱激发剂,配制了纤维体积掺量分别为0、0.1%、0.2%、0.3%的玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土（basalt fiber reinforced geopolymeric concrete ,BFRGC）和碳纤维增强地质聚合物混凝土（carbon fiber reinforced geopolymeric concrete ,CFRGC）,再采用Φ100 mm 霍普金森压杆 (split Hopkinson pressure bar ,SHPB) 试验装置测试了两种材料3d、7d的冲击力学性能,并对试验进行对比分析。结果表明：纤维增强地质聚合物混凝土 (fiber reinforced geopolymeric concretes ,FRGCs) 早期冲击力学性能具有显著的应变率相关性;BFRGC的早期动态强度特性优于CFRGC;BFRGC在10–102 s-1范围内的能量吸收能力与CFRGC的相当,但BFRGC相对于CFRGC在吸收冲击能上的优势,将会随着应变率的增加而越发明显。对比可知：BFRGC较CFRGC而言,具有更加优越的早期冲击力学性能,主要体现在动态强度和能量吸收能力上。     

Fe-36Ni高温高应变率动态力学性能及其本构关系

为研究Fe-36Ni因瓦合金的动态力学性能及其本构关系,在20～800℃和10-3～104 s-1的应变率内,采用电子万能试验机和高温分离式霍普金森压杆分别对Fe-36Ni因瓦合金进行准静态实验和动态压缩实验,得到其高温、高应变率下的应力-应变曲线.结果表明,Fe-36Ni因瓦合金的流动应力表现出较强的应变率和温度敏感性,随着应变率的增大而增大,随着温度的升高而减小.采用改进应变率项和温度项的Johnson-Cook本构方程拟合了Fe-36Ni因瓦合金在高温、高应变率下的动态塑性本构关系,拟合结果与试验数据吻合很好.     

尼龙的压缩力学性能及本构模型研究

尼龙材料在用作齿轮、辊轴、航空器件等情况下需承受动态荷载,因此研究尼龙材料在静、动态荷载下的力学性能是有必要的。利用MTS810材料实验机和SHPB实验装置,开展尼龙(PA)的准静态压缩实验和动态压缩实验,通过实验获得尼龙材料的应力应变曲线。结果表明:尼龙材料在压缩时,随着应变率的增大屈服应力逐渐增大。与静态压缩相比,动态压缩软化效应减弱,而被随后而至的强化效应所取代,表明高应变率下应变软化和应变硬化存在竞争趋势。采用Cowper-Symonds过应力模型结合实验数据获得尼龙的材料参数并拟合理论曲线,其结果与实验结果的最大误差分别为2%,1%,7%,吻合较好。     

含初始损伤的水泥砂浆材料的动态本构关系研究

建立了含初始损伤的水泥砂浆试件的两种动态损伤演化模型及本构模型 ,然后通过霍普金森压杆对水泥砂浆试件进行了冲击压缩试验。结果表明 ,正交异性损伤演化模型更适合描述实际介质的损伤 ,从而建立了水泥砂浆材料的正交异性动态本构方程。     

含初始损伤的水泥砂浆材料的动态本构关系研究

建立了含初始损伤的水泥砂浆试件的两种动态损伤演化模型及本构模型 ,然后通过霍普金森压杆对水泥砂浆试件进行了冲击压缩试验。结果表明 ,正交异性损伤演化模型更适合描述实际介质的损伤 ,从而建立了水泥砂浆材料的正交异性动态本构方程。     

EPS混凝土的冲击力学行为及本构模型

采用大直径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置研究了多种EPS体积掺量的EPS混凝土在不同应变率下的力学行为。分析了平均应变率以及EPS体积掺量对EPS混凝土的冲击力学性能的影响。采用朱-王-唐(ZWT)模型,在试验研究的基础上,建立了EPS混凝土非线性粘弹性本构模型。结果表明：在高应变率条件下,EPS混凝土的动态抗压强度与极限应变随平均应变率的提高近似线性增长,呈现出显著的应变率相关性。随着EPS体积掺量的增加,混凝土的动态抗压强度和弹性模量降低,变形能力得到改善。本构模型提供的理论曲线与试验曲线比较接近,ZWT模型可以较为准确地描述EPS混凝土的高应变率力学行为。     

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。      

玄武岩纤维增韧混凝土冲击性能

采用三点弯曲冲击试验装置, 结合超声波测试技术, 研究了玄武岩纤维质量分数为0%～0.60%时, 玄武岩纤维增韧混凝土（Basalt Fiber Reinforced Concrete, BFRC）的冲击性能及其损伤演化规律, 研究了混凝土冲击破坏过程中基于超声波波速的损伤演化过程, 并应用体视显微镜观测了冲击过程中试件表面裂纹的发展, 分析了玄武岩纤维提高混凝土冲击韧性的机制。结果表明: 玄武岩纤维对混凝土的抗压强度无明显改善, 但可以显著提高混凝土的冲击韧性, 当纤维质量比为0.36%时冲击韧性提高了2.2倍。各玄武岩纤维掺量下混凝土的冲击破坏均表现出脆性特征, 但玄武岩纤维的加入有效提高了混凝土对冲击能量的吸收, 其临近破坏时损伤变量较素混凝土提高了40%～83%; 玄武岩纤维混凝土冲击破坏过程表现出多缝开裂的特征, 在最终破坏时主裂缝附近有明显的副裂缝出现。      

混凝土材料的动态压缩破坏机理及本构关系

为研究混凝土材料的动态性能,利用直径φ100 mm的SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)装置对骨料尺寸为15 mm～20 mm的混凝土材料试样进行了应变率范围30s(-1)～180s(-1)的动态压缩试验,并借助高速摄影装置获得了试样的变形与破坏过程,结果表明:在动态压缩强度附近应力区,材料表面先出现一条沿试样轴向的可见宏观裂纹,而多条主裂纹的形成与扩展才导致材料的最终破坏;建立了改进的ZWT模型,模型预测结果与试验结果较吻合.     

湿热环境下Carbon/Epoxy复合材料层合板动态压缩性能

随着纤维增强复合材料的广泛应用, 研究其在湿热环境下的动态力学性能具有重要的理论研究意义与工程应用价值。首先对碳纤维增强环氧树脂基(Carbon/Epoxy)复合材料层合板试件进行了湿热处理, 其后采用分离式霍普金森压杆(SHPB)技术开展了干/湿态试件高应变率压缩实验并对实验结果进行分析。结果表明: 材料脱(吸)湿过程呈现出两段式特点, 存在二次脱(吸)水现象; Carbon/Epoxy复合材料层合板的强度在垂直铺层方向具有显著的应变率敏感性, 随着应变率从1 500 s-1增加至6 000 s-1, 其强度增加近3倍, 与此同时应变率对其弹性模量的影响却非常微弱; 此外, 湿热处理有助于提升该材料的动态力学性能, 经20 d吸湿后材料动态强度有最大12.45%的增幅, 吸湿使得材料动态强度的上升在应变率较低时比较明显。      

玻璃钢动态力学性能的实验研究

利用分离式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆研究了国产环氧玻璃钢和聚脂玻璃钢在平均应变率为－１０＾３／ｓ下的动态力学性能，给出了这两种材料在冲击压缩下的弹性模量和能量吸收率，为新型飞行保护头盔的设计提供了材料的实验依据。     

BFRP筋钢纤维高强混凝土梁受弯承载力试验与理论

通过11根玄武岩纤维增强聚合物复合材料（BFRP）筋钢纤维高强混凝土梁的受弯性能试验,研究了钢纤维混凝土层厚度、钢纤维体积分数和BFRP筋配筋率对BFRP筋钢纤维高强混凝土梁受弯破坏形态及其承载力的影响。结果表明,BFRP筋钢纤维高强混凝土梁的破坏模式可分为受压破坏、受拉破坏和平衡破坏3种;钢纤维混凝土层厚度和钢纤维体积分数的变化对于BFRP筋钢纤维高强混凝土梁受弯承载力具有一定程度的影响,当BFRP筋配筋率为0.77%时,掺加体积分数为1.0%钢纤维的梁受弯承载力较无钢纤维梁提高了22.7%,在受拉区0.57倍截面高度内掺加1.0vol%钢纤维的梁受弯承载力达到全截面钢纤维混凝土梁受弯承载力的86.7%;增大BFRP筋配筋量可显著提高BFRP筋钢纤维高强混凝土梁的受弯承载力,BFRP筋配筋率为1.65%的试验梁受弯承载力较配筋率为0.56%的试验梁提高了39.4%。针对不同的破坏模式,提出了BFRP筋钢纤维高强混凝土梁受弯承载力和平衡配筋率的计算方法,并结合安全配筋率的概念对试验梁的破坏模式进行了预测,试验结果与分析结果吻合良好。