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。     

开孔与闭孔泡沫铝的压缩力学行为

研究了开孔与闭孔两种胞孔结构不同、制备工艺不同的泡沫铝在准静态压缩载荷下的压缩响应曲线.结果表明:开孔与闭孔泡沫铝压缩应力-应变曲线均具有多孔泡沫材料明显的三阶段特征,即线弹性段、塑性屈服平台段及致密段;相对密度对泡沫材料的力学性能(如杨氏模量、屈服强度)有很大影响;在准静态下,开孔泡沫铝表现出明显的应变率效应,而闭孔泡沫不如开孔敏感;泡沫铝材料表现为弱的各向异性;胞孔结构影响两种泡沫材料的压缩响应曲线.     

闭孔泡沫铝在动态加载下的压缩力学行为研究

为研究闭孔泡沫铝的动态压缩力学响应过程,基于典型泡沫铝试样的孔型和分布情况构建了Voronoi模型,根据实验结果验证了模型的准确性。基于LS-DYNA分析了目前泡沫铝常用的Kelvin模型和Voronoi模型之间的差异性,研究了加载速度、基体应变率效应和压缩惯性效应对闭孔泡沫铝变形模式和应力水平的影响规律。研究结果表明:Voronoi模型应力-应变水平和变形模式与实验结果拟合较好,内部结构比单胞阵列的Kelvin模型更趋真实合理;在低速压缩下,泡沫铝惯性效应基本上可以被忽略,而高速压缩下,受压缩惯性效应影响,泡沫铝平台应力随着加载速度的增大而增大;当考虑泡沫铝基体应变率效应时,泡沫铝平台应力水平会得到有效的改善,且泡沫铝整体呈现应变率效应。     

中等应变率下泡沫铝的吸能特性

进行了不同密度、高度和压缩方向下泡沫铝的准静态压缩试验和中等应变率下(＜100 s-1)的冲击试验,研究了具有不同密度的闭孔泡沫铝在准静态压缩和冲击工况下的吸能特性.结果表明,泡沫铝是一种近似的各向同性结构,具有较高的单位质量吸能特性,是一种较好的吸能材料.在准静态和中等应变率冲击条件下,泡沫铝对应变率不敏感,其应力应变关系与应变率关系不大.不同的泡沫铝,其平台应力与密度之间的关系不同,在研究其性能时,必须测量应力-应变关系.泡沫铝的致密区对其吸能特性有很大的影响.     

混凝土冻融循环下动态破损机理的试验研究

对冻融环境下混凝土试样进行了不同加载速率下的单轴压缩试验,得到了混凝土材料经历不同冻融循环次数下的质量损失及破损形态,分析了冻融循环下混凝土试样的全应力—应变曲线,并给出了其单轴极限抗压强度、峰值应变随加载速率的变化特征。通过运用CT细观试验的方法初步对经历不同加载速率下的试样进行了细观结构分析。试验结果表明:在相同加载率下,混凝土单轴动态极限抗压强度随冻融循环次数的增加而降低;在相同冻融循环次数下,混凝土单轴动态极限抗压强度随加载速率的增大而提高;冻融循环作用下,在低加载速率下,混凝土试样破坏时,裂纹数目较少,主要沿砂浆和交界面处扩展,破坏时呈现出集中式的分布;而在高加载速率下,裂纹逐渐变得分散,破坏时呈现弥散状分布式的裂纹,随着加载率的提高,裂纹穿过骨料的现象增多,骨料破坏数目呈指数形式增长。以此,通过试验系统地研究了冻融循环下混凝土动态破损机理。     

密度和应变率对聚苯乙烯泡沫(EPS)准静态压缩力学行为的影响

分别研究了聚苯乙烯泡沫(Expanded polystyrene,简称EPS)在三种不同密度和三种不同加载速率下的无侧限单轴准静态压缩力学行为.结果表明:EPS的压缩与一般多孔材料的压缩特征相似,其应力-应变曲线也分为三阶段(弹性段、塑性屈服平台段及致密段).并验证了聚苯乙烯泡沫(EPS)在线弹性阶段的弹性模量与其密度近似符合二次函数关系;通过对实验结果的拟合得出了EPS的密度与其屈服强度呈线性关系并给出了关系表达式.同时表明:同一密度的EPS在不同加载速率下其线弹性模量基本不变而屈服强度随加载速率的增加而显著增加,其应变率敏感度m值较大且变化显著,EPS表现出明显的应变率效应.     

粘土质泡沫陶瓷力学性能实验研究

本文以泡沫陶瓷的静、动态力学性能为研究目的,针对其吸波耗能作用明显、抗爆能力强、工程应用潜力较大的特点,对一种新的粘土质闭孔泡沫陶瓷开展了准静态一维应力压缩实验、一维应变压缩实验以及动态一维应力压缩实验。得到该材料在三种加载条件下的应力-应变曲线,讨论了不同加载条件下的材料的强度特性和变形破坏特征。结果表明：（1）泡沫陶瓷属于应变率敏感材料;（2）虽然泡沫陶瓷的弹性极限不高,但峰值应力过后,强度并没有立即消失,而是维持在一定的应力水平上;（3）不论是动加载还是静加载,泡沫陶瓷的极限应变都很大,与孔穴压实相关的变形不可逆过程所导致的能量耗损十分可观,材料的吸波耗能效果突出。因此泡沫陶瓷可以作为防护工程中抗爆抗冲击构件的首选材料之一。     

不同温度及加载速率对混凝土冲击变形韧性影响

利用Φ100 mm SHPB分离式霍普金森压杆装置研究不同温度及加载速率下混凝土冲击变形韧性。结果表明,高温后混凝土峰值、流动应变及冲击韧性均随加载速率增加而增加,应变率效应显著;试件峰前韧性比不断降低,峰后韧性比及韧性转化比逐渐升高;同一加载速率下温度升高总体上使混凝土峰值应变及流动应变增大、冲击韧性降低,试件峰前韧性比呈上升趋势,峰后韧性比及韧性转化比逐渐下降;200℃时其冲击韧性在低应变率下相对较小,在高应变率下超过常温水平。     

泡沫铝硅合金动态压缩力学性能及吸能特性研究

利用分离式霍普金森压杆研究了泡沫铝硅合金的动态压缩力学性能,得到了应变率为1400s-1~2500s-1的动态应力-应变曲线,且与准静态压缩实验结果进行了对比,分析了应变率对泡沫铝硅材料压缩强度和吸能特性的影响。动态压缩实验过程中,针对泡沫铝硅合金的低阻抗特点,采用LC4铝压杆和半导体应变片改进了测试装置和方法,保证了实验结果的可靠性。结果表明:应变率对泡沫铝硅合金的流动应力有着明显的影响,其流动应力随着应变率的增大而增大;由于惯性效应和胞孔的坍塌,在弹性极限处应力出现波动,且波动应力随应变率的增大而增大。该文还讨论了泡沫铝硅合金在不同应变率下的吸能效率。     

不同温度下泡沫铝压缩行为与变形机制探讨

利用Hopkinson杆与MTS实验装置分别研究泡沫铝在不同温度下的动态与静态力学性能,实验结果表明,泡沫铝有很强的温度软化效应,坍塌应力与平台应力和“应力降”的大小均随温度的升高而降低。动态高温下应力应变曲线与静态低温下应力应变曲线类似,反映材料应变率与温度之间的等效关系。低温下泡沫金属强度较高,脆性较强,泡沫结构易脆性坍塌,并伴有脆性裂纹,随着温度的升高,基体材料逐渐软化,泡沫金属强度降低,胞孔结构在压缩过程中从低温下脆性失稳逐渐变成以胞壁屈曲与塑性变形为主,且在不同温度段,应变率敏感度不同。