波形整形器在火工品高过载试验中的应用

改进了传统的霍普金森压杆(Hopkinson)技术,采用输入波形整形技术,使加载波形更能满足火工品实际加载环境的需要,从试验得出使用整形器最大的特点是可以获得比较光滑的入射波,降低波的弥散效应,可消除高频振荡,明显改善加载波的质量, 有较长的上升前沿时间,并且可以获得更接近常应变率的动态加载条件.同时,根据理论预估模型对不同形状的紫铜整形器进行计算,与试验结果对比表明,该预估方法可行.     

整形器对入射波形的影响规律研究

为分析整形器对入射波形的影响规律,以紫铜T2材料为研究对象,在14.5 mmSHPB试验设备上开展整形器的直径和厚度、撞击杆速度和长度改变对入射波形状影响规律研究。结果表明:直径增大,整形器的广义强度增大,导致第1个拐点T1提高;厚度增加,整形器受冲击压缩应变率降低、压缩时间增加,拐点T1降低,拐点T2右移;撞击杆速度提高使第1个拐点T1提高,拐点T2位置左移;撞击杆长度对整形器调整入射波形状不产生影响,整形器吸收能量相同。     

高温-高应变率下MB2合金的动态力学性能及变形机理

利用分离式Hopkinson杆实验加载装置,结合入射波整形技术,进行MB2合金不同初始温度、不同温度、不同应变率下冲击压缩实验。并利用获得的应力-应变数据,采用修正的Johnson-Cook本构模型,拟合MB2合金的本构关系。同时,利用金相分析方法,分别对回收试样的横截面和纵截面的晶粒的变形情况进行显微组织观察分析,解释MB2高温-高应变率下的变形机理主要是特定的滑移系上的晶粒经历了长大-滑移的变形机制。     

2,4-二硝基苯甲醚基不敏感熔注炸药动态力学性能

炸药动态力学性能是影响其安定性的重要因素。为揭示2,4-二硝基苯甲醚（DNAN）基不敏感熔注炸药的动态力学性能特征,采用分离式霍普金森压杆（SHPB）实验对DNAN基不敏感抗过载熔注炸药的动态力学性能进行研究。通过入射波整形技术,实现了低阻抗、低强度的熔注炸药材料在SHPB实验中的应力平衡和恒应变率加载,得到65 s^-1、130 s^-1和200 s^-1等3种应变率下炸药的应力应变曲线;基于炸药应力应变数据,利用改进的Lesuer标定方法,获得该炸药的Johnson- Cook本构模型参数。结果表明：随着应变率的提高,该炸药失效应力逐渐增加,具有明显的应变率效应;拟合得到的Johnson-Cook动态本构模型能较好地预测该炸药在冲击载荷作用下的力学响应。     

大直径SHPB系统角闪岩的冲击动力试验

采用大直径分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,在波形整形技术试验的基础上,对不同厚度的圆柱形角闪岩试件在冲击压缩过程中的应力均匀性进行分析,确定了岩石试件的最佳尺寸;对角闪岩在高应变率下的动态力学性能进行试验;分析了其应力应变曲线的力学特性;并从岩石材料微观结构的角度对角闪岩动态抗压强度、破坏形态和能量耗散随应变率的变化规律进行了研究。结果表明,在较低应变率下,角闪岩试件的动态压缩破坏呈显著的轴向劈裂破坏模式;在较高应变率下,试件破坏呈现压碎破坏模式;角闪岩的比能量吸收值与应变率.ε呈线性关系,而动态抗压强度增长因子η(即动态抗压强度)与.ε1/3成线性关系。     

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.     

用Hopkinson杆技术研究材料动态断裂韧性的进展

综述应用Hopkinson杆技术进行材料动态断裂韧性研究的实验方法。介绍入射波整形技术和力传感器技术在动态断裂韧性实验中的应用。简要总结动态应力强度因子的计算方法和裂纹起裂时间的确定方法。展望动态断裂韧性研究的发展趋势。     

大直径分离式霍普金森压杆试验中的波形整形技术研究

采用直径100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,以碳纤维混凝土(CFRC)的SHPB试验为例,就试验过程中的波形整形技术展开研究,内容包括：波形整形器的设计、近似恒应变率的估算、最佳近似恒应变率的确定以及应力均匀性分析。结果表明：厚度为1 mm,直径分别为20 mm、22 mm、25 mm、27 mm、30 mm的H62黄铜波形整形器对入射波形有明显的改善效果,可将入射脉冲上升沿的升时延长1～1.6倍;应变率对于波形整形器的直径很敏感,随着整形器直径的增大,最佳近似恒应变率也在增加,一个几何尺寸的波形整形器只能对应于一个最佳近似恒应变率．且与整形器的直径之间满足线性函数关系;应力不均匀系数能够有效地描述混凝土材料SHPB试验的应力均匀性。     

钨锆合金的动态力学特性研究

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）实验技术,在不同的冲击载荷条件下,对钨锆合金（52.6/47.4）的动态压缩性能进行实验研究,获取该材料在发生反应与不反应情况下的应力-应变曲线,并分析该材料的冲击响应特性。结果表明：钨锆合金是一种典型的弹脆性含能结构材料,在冲击压缩过程中会出现中应变率（＜500 s-1）脆性断裂（未反应）和高应变率（＞1 000 s-1）冲击反应两种状态。     

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。     

PBX模拟材料动态力学响应及细观损伤模式

基于分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对高聚物粘结炸药(PBX)模拟材料进行高应变率(1763~2650 s-1)动态压缩实验,采用铅整形器得到正弦入射脉冲。聚偏氟乙烯(PVDF)压力传感器监测试件两端的应力状态,高速相机拍摄试件的变形和破坏过程,激光位移计测量试件的轴向应变,采用电子显微镜观测细观结构形貌和损伤模式。结果表明,PBX模拟材料具有应变率相关性;结合界面脱粘和晶体断裂理论,认为晶粒与粘结剂的分离,晶粒脆性断裂是该PBX模拟材料的主要细观损伤模式。     

火工品高过载动态力学性能测试方法研究

采用Hopkinson压杆技术和装置测试了火工品高过载动态力学性能,通过改变波形调制器的材料、厚度和改变子弹长度可以控制速度脉冲的宽度,提高加速度脉冲的宽度.研究表明:引起破坏的加速度临界值不仅与加速度幅值有关系,而且与加速度脉冲宽度有很大的关系.采用间隔取点、速度平滑、加速度平滑及曲线拟合等方法可以使加速度的取值更加精确和可靠.运用LS-DYNA有限元进行模拟仿真,计算得到的加速度曲线与仿真结果相吻合.     

空心锥撞击杆对分离式霍普金森压杆入射脉冲弥散的抑制效果分析

为了抑制入射脉冲弥散效应,采用动力有限元软件分析了常规分离式霍普金森压杆（SHPB）入射脉冲几何弥散的空间变化规律,发现入射杆中沿着应力波传播方向,几何弥散效应趋于增强;横截面上沿径向向外弥散效应趋于减弱。为此,在撞击杆的碰撞端部挖去一个共轴圆锥,称改造后的撞击杆为空心锥撞击杆。进而分析了空心锥撞击杆获得入射脉冲几何弥散的空间变化规律,结果表明：入射脉冲初始振荡得到有效抑制,且加载上升时间变长,空心锥的底面半径越大、锥角越小对弥散效应抑制效果越好;研究还发现采用空心锥撞击杆时,碰撞端面的摩擦效应对入射脉冲几何弥散影响不大,只是改变了振荡波的相位。最后,采用实验方法对该种改造方法的效果进行了验证,实验结果与理论和数值分析结果吻合较好。     

应力波载荷作用下材料断裂韧性JId测试研究

本文建立了一个测定动态弹塑性断裂韧性JId的方法。该方法利用改进的Hopkinson压杆加载Charpy冲击试样,利用压杆上应变片记录的入射应力波和反射应力波,由一维应力波理论得到试样所受的载荷和加载点位移。在建立的裂纹尖端张开位移COD和裂纹扩展量Δa的关系中,令Δa=0,可得到裂纹起裂时的临界（COD）c从而确定裂纹的动态起裂点。与其它方法相比,本文的方法不需要昂贵的仪器来测试动态断裂参数;不需将应变片贴在试样上确定起裂时间,所以该方法可在较高或较低的温度下使用;在动态弹塑性断裂韧性JId的计算中,考虑了材料的动态应力—应变行为,使测得的JId值能更好地反映材料在应力波载荷作用下的动态断裂性能。     

中高应变率条件下TC18钛合金动态力学行为的实验研究

应变和应变率是影响材料力学行为的两个重要因素,分离式霍普金森压杆（SHPB）技术是实现不同应变和应变率加载的有效途径之一。为研究室温下TC18钛合金的塑性变形和破坏行为,采用SHPB,通过调节子弹长度和速度实现对TC18钛合金圆柱试样不同应变和应变率的加载。实验得到了TC18钛合金在不同应变率下的真应力-真应变曲线和同一应变率不同应变下的真应力-真 应变曲线,并分别分析了应变硬化和应变率强化效应对TC18钛合金的动态力学性能的影响。实验结果表明：TC18钛合金压缩试样破坏时断口与加载方向（轴线）之间的夹角约为45°,其压缩破坏形式为典型的剪切破坏,与应变和应变率相关;应变率越高,TC18钛合金的流动应力和屈服强度越高,故该材料具有明显的应变率强化效应;绝热剪切带是裂纹形成和试样发生宏观剪切破坏的先兆。     

基于内聚裂纹模型的高聚物粘结炸药模拟材料动态断裂行为研究

对某高聚物粘结炸药（PBX）模拟材料的动态拉伸断裂行为进行研究。针对该材料开展了基于霍普金森压杆的动态带预制裂纹半圆盘弯曲实验,并结合高速摄像与数字图像相关方法,得到了试样动态破坏过程中的位移场和应变场。基于内聚裂纹模型,对其动态拉伸破坏过程进行了数值模拟。数值模拟与实验结果进行对比后发现,拉伸应力曲线、试样破坏前后变形场等结果符合较好。根据数值模拟结果,分析了PBX试样在动态预制裂纹半圆盘弯曲实验过程中的裂纹扩展演化规律,得到裂纹宽度比实验结果偏小约15%的结论。