纤维增强水泥基复合材料压剪破坏的细观实验研究

对聚丙烯纤维和钢纤维增强水泥砂浆复合材料和混凝土复合材料进行了MTS 准静态单轴压缩实验和压剪加载条件下的细观力学实验研究。比较两类纤维在这两种加载条件下的作用发现: 在单轴压缩条件下, 钢纤维作用显著, 聚丙烯纤维基本没有什么作用;在压剪加载条件下, 钢纤维在材料各个变形阶段均起明显作用, 聚丙烯纤维在加载过程中起到一定的作用, 但由于含量较少对材料的极限荷载基本没有贡献。在细观实验中, 观察到了钢纤维和碎石颗粒在材料破坏过程中脱粘与断裂的作用方式。但只是在水泥砂浆试件的局部观察到了孔洞崩塌现象, 对于其促成压缩带形成的机理尚须深入的工作。     

杨木静动态压缩本构模型研究

目的 以杨木为研究对象,研究其静动态压缩载荷作用下应力-应变曲线的变化特征,建立适合的本构模型,并对其进行描述。方法 对杨木试件进行静动态压缩加载试验,分析静动态压缩载荷作用下杨木应力-应变曲线的变化特征,构建适用于静动态压缩载荷作用下杨木的本构模型。结果 静态压缩加载杨木的应力-应变曲线分为线弹性阶段、屈服阶段和密实化阶段等3个部分,动态压缩加载杨木的应力-应变曲线分为线弹性阶段和屈服阶段等2个部分;静态压缩加载时,杨木轴向屈服应力最大,分别是径向和弦向的5.70倍和7.75倍;动态压缩加载时,当应变率从400 s-1增加到1000 s-1时,径向、弦向和轴向的屈服应力分别增加了1.51,1.59,3.12倍,杨木的屈服应力具有应变率敏感性;采用包含应变率影响的本构方程来描述杨木在静动态压缩载荷作用下的本构关系是比较合适的。结论 杨木是一种应变率敏感材料,静动态压缩载荷作用下杨木的应力-应变曲线均表现出多孔材料的特征,将多孔材料本构模型应用于木材是可行的。     

碳纤维复合材料假脚冲击后疲劳性能影响因素分析

基于三维逐渐损伤理论和有限元法,对碳纤维复合材料假脚在冲击载荷及冲击后疲劳载荷作用下的破坏过程进行分析,研究了不同冲击能量、不同冲头材料、不同应力水平等因素对碳纤维假脚的冲击损伤及疲劳性能的影响规律。结果表明,在冲击载荷作用下,碳纤维复合材料假脚的损伤模式主要为基体开裂、纤维压缩和分层。随着冲击能量的增加,上述3种破坏模式的损伤单元数逐渐增大;尽管随着冲击能量的增加,碳纤维复合材料假脚的疲劳循环次数逐渐降低,但二者之间并不满足线性关系,即存在冲击能门槛值。对于碳纤维复合材料假脚而言,其冲击能门槛值为7J;冲头材料越硬,碳纤维复合材料结构件的冲击损伤面积越大,疲劳性能下降越剧烈;碳纤维复合材料假脚的疲劳循环次数随着加载应力的增加而显著降低。     

泡沫铝变形与吸能特性研究

目的研究密度、孔洞分布以及加载应变率对泡沫铝材料变形行为和吸能特性的影响。方法对3种不同密度范围的泡沫铝材料进行不同应变率下的压缩实验研究。结果实验结果显示,在10 mm/min加载速率下,密度范围为0.27~0.33 g/cm3和0.47~0.53 g/cm3的泡沫铝材料平均屈服应力分别为1.3和7.2MPa,平均应变能密度分别为0.8和3.8 MJ/m3。此外,密度为0.453 g/m3但孔洞分布不均匀的泡沫铝应变能密度为3.26 MJ/m3,密度为0.449 g/m3但孔洞分布均匀的泡沫铝应变能密度为3.84 MJ/m3。结论随着密度的增加,泡沫材料的屈服应力以及对应于不同应变时的应力均增加,而孔洞分布均匀的泡沫材料的能量吸收能力明显优于孔洞分布不均匀的泡沫材料,此外,加载速度对泡沫材料的应力应变行为有一定的影响,但对其能量吸收能力并无影响。     

混凝土恒定围压下冲击加载实验装置研制

研制可实现混凝土、岩石及土等非均匀材料恒定围压下轴向冲击压缩加载实验装置,研究复杂应力状态下高应变率力学性能。该装置通过围压油缸及轴向油缸对试件施加静水压,利用大直径分离式Hopkinson压杆(SHPB)进行轴向冲击加载,测量恒定围压下材料动态应力-应变曲线。该装置具有冲击加载前试件处于静水压状态、轴向冲击加载过程中试件围压保持恒定不变等优点。结果表明,围压对混凝土材料动态力学性能影响明显。     

Gleeble-3800热模拟试验机压缩模块低应力加载试验设计

在Gleeble-3800热模拟试验机上,利用单轴压缩模块设计了一种低应力加载试验。该试验克服了Gleeble-3800试验机压缩模块低应力控制不稳定的问题,实现了固定温度下单轴低应力加载,加载力维持在-200~-500N。通过该试验可以在完成材料单轴压缩试验的同时,测得材料在低应力加载条件下的贝氏体相变过程,为在Gleeble-3800热模拟试验机上实现低应力加载条件下研究贝氏体相变过程提供了解决方案。     

冲击载荷下环氧树脂动态压缩力学响应实验研究

为了从细观角度研究碳/环氧复合材料的动态力学性能,利用分离式霍普金森压杆实验装置对其组分材料TDE86#环氧树脂体系进行动态冲击压缩实验,获得不同应变率加载条件下环氧树脂的应力一应变曲线,基于应力-应变曲线分析了应变率对环氧树脂动态压缩力学性能的影响.研究结果表明:环氧树脂具有明显的应变强化效应,随着应变率的增加,环氧树脂的强度基本没有变化,最大应力时的应变逐渐减小,动态模量和压缩刚度有很大程度的提高.     

钢管RPC抗冲击压缩特性及极限强度确定方法

采用74 mm分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)试验装置,分别对20块钢管活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete-Filled Steel Tube,钢管RPC)和20块RPC试件进行了不同加载速率的冲击压缩试验,得到了不同应变率下的动态应力-应变曲线、峰值应力和峰值应变,分析了试件的破坏特征。在钢管混凝土静态轴向极限承载力计算公式基础上引入应变率效应,得到钢管RPC极限强度确定方法。结果表明:钢管RPC和RPC的峰值应力和峰值应变均随平均应变率增大而增大。冲击荷载作用下,钢管RPC比RPC具有更高的强度,更好的延性和完整性,是一种良好的抗冲击防护工程材料。钢管壁厚对钢管RPC动态应力-应变关系有明显影响,一定冲击速度下壁厚较薄的钢管RPC出现了明显的屈服平台和应力强化现象,峰值应变也显著增大。钢管RPC极限强度理论计算结果与试验结果存在一定的相对误差,但随着响应应变率增大相对误差逐渐减小。     

FCC晶体中孔洞长大行为的研究

为了揭示孔洞在FCC晶体中的长大规律,研究了含圆柱形孔洞的铝单晶试样在平面应变压缩条件下的变形情况,采用EBSD(Electron Backscatter Diffraction)对孔洞周围的不均匀变形以及晶体取向变化进行分析,并通过编制率相关有限元用户子程序,采用晶体有限元模拟了含圆柱形孔洞的铝单晶试样在平面应变压缩条件下的变形。实验结果与模拟结果的对比表明:晶体取向对孔洞的长大行为影响较大;率相关晶体有限元能很好地预测孔洞周围晶体取向的变化,该方法可较好地模拟FCC晶体中孔洞的长大行为,为研究FCC晶体中孔洞的演化以及断裂行为提供了一种有效的分析方法。     

循环压缩载荷下缺口残余拉应力场的X射线分析

用细束 x 射线研究了循环压缩载荷下缺口残余拉应力的分布及变化。试验表明,循环压缩加载后形成的残余拉应力大于一次压缩加载后的数值,压缩应力幅对残余拉应力分布的影响大于压缩平均应力的影响,其原因除了加载-降载过程中形成的残余应力直接与应力幅有关外,尚与应力幅加剧材料循环软化程度有关。形成疲劳裂纹后,在完全卸载的裂纹面上,残余拉应力基本松弛,但垂直于裂纹面稍远处的残余拉应力仍保持有相当大的数值,这部分残余应力是否对裂纹扩展起作用,在计算残余应力的应力强度因子时如何予以考虑值得注意。     

钢纤维增强水泥砂浆压剪联合冲击下动态剪切性能

基于唐志平等提出的剪切波跟踪技术(SWT),对钢纤维增强水泥砂浆进行了冲击速度40m/s~270m/s倾斜角为0~20°的斜撞击试验.研究结果表明,在此冲击速度下,材料处于损伤状态和由损伤状态向孔洞崩塌过渡阶段.此结果与聚丙烯纤维增强水泥砂浆的实验结果进行对比,发现钢纤维体积含量为0.5%时,对压缩性能的增强效果并不明显,但相应的剪切波速明显增加;当钢纤维体积含量为1%时对压缩性能和剪切波速均有较大的提高.由于钢纤维与水泥砂浆基体的强度相差太大,剪切强度有一定的改善,但数据较离散.同时通过对剪切结果分析表明,采用剪切波,尤其是卸载剪切波来探测脆性材料内部动态损伤非常有效.     

AD95陶瓷的高压声速研究

采用VISAR技术连续测量样品-窗口界面粒子速率剖面方法,对AD95陶瓷在卸载过程中的高压声速和卸载路径进行了研究。结果表明,加载应力为25.86～57.42GPa时,AD95陶瓷卸载过程中的高压声速降低过程与延性金属材料具有明显区别:卸载过程受加载过程中的双波结构影响,明显分成弹性前驱波卸载和冲击波卸载两个阶段,但第一阶段所占的比例随加载应力的增加逐渐减小;第二阶段中不存在明显的弹性卸载和塑性卸载的拐点。研究结果将为陶瓷材料动态响应和压缩损伤研究奠定基础。     

On pressure-shear plate impact for studying the kinetics of stress-induced phase transformations

Pressure-shear plate impact experiments are proposed for studying the kinetics of stress-induced phase transformations. The purpose of this paper is to determine loading conditions and specimen orientations which can be expected to activate a single habit plane variant parallel to the impact plane, thereby simplifying the study of the kinetics of the transformation through monitoring the wave profiles associated with the propagating phase boundary. The Wechsler-Lieberman-Read phenomenological theory was used to determine habit plane indices and directions of shape deformation for a Cu---Al---Ni shape memory alloy which undergoes a martensitic phase transformation under stress. Elastic waves generated by pressure-shear impact were analyzed for wave propagation in the direction of the normal to a habit plane. A critical resolved shear stress criterion was used to predict variants which are expected to be activated for a range of impact velocities and relative magnitudes of the normal and transverse components of the impact velocity.     

基于显式动力学的焊点冲击失效分析

组件级高速剪切测试是用来研究芯片封装中Sn-Ag-Cu焊点冲击可靠性问题的一个重要手段。实验研究表明：随着冲击速度的增加,焊点封装结构的失效会由焊锡母材的韧性破坏向界面金属间化合物(IMC)的脆性断裂过渡;同时,其荷载-位移响应曲线形态也会发生显著的改变。为了能够更详细地了解封装结构的冲击失效行为,并进一步改进其结构设计,该文提出结合焊锡材料应变率相关的动态硬化特性,利用渐进损伤模型来模拟其动态损伤过程;同时,引进一种能够有效表征复合型裂纹扩展的内聚力模型来模拟IMC的脆性动态断裂。与实验结果的对比表明：该文提出的方法能够较为有效地表征焊点封装结构在不同冲击速度下的失效行为。     

Comparison of the low and high velocity impact response of cfrp

A series of low and high velocity impact tests has been conducted on a wide range of cfrp laminates to examine the initiation and development of damage under these two widely differing loading conditions. For conditions of low velocity impact loading the size and shape of the target determines its energy-absorbing capability and therefore its impact response. High velocity impact loading by a fast moving projectile induces a localized form of target response and the level of damage incurred does not, therefore, appear to be governed by the areal size of the component. The effect of such loading on the residual tensile strength has also been assessed. High velocity impact loading by a small projectile is generally more detrimental to the integrity of a composite structure than low velocity drop-weight impact loading.     

Dynamic behavior of selected ceramic powders

An experimental setup has been developed on the continuous recording of the stress profiles in ceramic powders subject to shock loading with manganin gauges. A series of plate impact experiments on highly porous ceramic powders such as Al₂O₃, SiC and B₄C were conducted at the laboratory's single stage powder gun facility. The relationship between shock wave velocity and particle velocity was measured to obtain the Hugoniot data. Plate impact onto powder sample experiments were conducted at loading stresses ranging from 1.6 to 4.2 GPa. The experimental results show that the shock wave speeds in various ceramic powders vary between 1 and 2 km/s. Linear Hugoniot relations between shock velocity (D) and particle velocity (u) are observed. The loading stress–specific volume form of Hugoniot relations (P–V) was constructed using the data from quasistatic compression test results, Hopkinson bar dynamic compression test results and powder gun plate impact experiment results. The P–V diagram shows that the crush strength of ceramic powders is comparable to the loading stress level. The B₄C and SiC powders with bigger particle size more easily reach the solid state Hugoniot than the powders with smaller particle size at the same loading condition. In the case of Al₂O₃, the material shows less sensitivity to particle size difference at the same level of loading rate as compared to B₄C and SiC.     

高温持续荷载作用下复合纤维对沥青混合料稳定性的影响

为了研究复合纤维沥青混合料在高温持续荷载作用下的稳定性,根据工程中常用纤维和已有研究成果,选用了三种复合纤维,对沥青混合料的变形发展规律及内部空隙结构特征开展试验研究。首先采用加速加载试验,对不掺加纤维和掺加复合纤维的沥青混合料在高温持续荷载作用下的横断面变化和车辙深度进行分析;再利用X-CT扫描技术与VG软件三维重构功能,研究不同纤维沥青混合料的空隙组成及形态特征演变规律。结果表明:高温持续荷载作用下,掺加纤维混合料横断面变形呈现"W"字型,不同纤维在沥青混合料中发挥"加筋"、"增黏"、"吸油"的协同作用,能显著减小沥青混合料的流动变形,且掺加复合纤维III的混合料流动变形最小;掺加不同复合纤维的沥青混合料可采用y=a-b·ln(x+c)进行车辙深度预估。加速加载试验后,掺加三种复合纤维的沥青混合料空隙率最大仅增加7%,分形维数仅降低不到0.5%,表明掺加三种复合纤维基本不改变沥青混合料的空隙结构特征,而且在高温持续荷载作用下,可较好地保持沥青混合料内部空隙的三维形态特征,进而改善沥青混合料的抗变形能力。     

Impact tolerant and healable aluminum millitube reinforced shape memory polymer composite sandwich core

In order to improve impact tolerance and energy absorption of sandwich panel under impact loading, a new aluminum hollow tube reinforced shape memory polymer (AHTR-SMP) composite sandwich core is designed and fabricated. Physical/mechanical properties were examined through a variety of tests, including axial compression, three-point bending, dynamic mechanical analysis (DMA), differential scanning calorimetry (DSC), and shape recovery tests. In order to characterize its dynamic performances, low velocity impact test was conducted. According to the tests results, this new AHTR-SMP core demonstrated considerable impact tolerance and damage healing functionality, and may be considered as a promising option for critical structural applications featured by tolerating repeated impacts.     

INFLUENCE OF SECONDARY VOID DAMAGE IN THE MATRIX MATERIAL AROUND VOIDS

Abstract— The mechanism of ductile damage caused by secondary void damage in the matrix around primary voids is studied by large strain, finite element analysis. A cylinder embedding an initially spherical void, a plane stress cell with a circular void and plane strain cell with a cylindrical or a flat void are analysed under different loading conditions. Secondary voids of smaller scale size nucleate in the strain hardening matrix, according to the requirements of some stress/strain criteria. Their growth and coalescence, handled by the empty element technique, demonstrate distinct mechanisms of damage as circumstances change. The macroscopic stress-strain curves are decomposed and illustrated in the form of the deviatoric and the volumetric parts. Concerning the stress response and the void growth prediction, comparisons are made between the present numerical results and those of previous authors. It is shown that loading condition, void growth history and void shape effect incorporated with the interaction between two generations of voids should be accounted for besides the void volume fraction.     

循环冲击下风化花岗岩渗透性演化规律

针对低渗透离子型稀土矿体回采效率低的缺点,提出利用爆炸应力波改变岩体内部孔隙结构进而提高渗透性的设想,并通过试验进行验证。选取赣南某离子型稀土矿弱风化层花岗岩为研究对象,利用改进的SHPB装置进行等速循环冲击,结合GDS-VIS三轴渗流试验,分析风化花岗岩循环冲击后的破坏模式,并研究有效孔隙度对循环动荷载前后岩石渗透性变化规律的影响。研究结果表明:随着冲击次数的增加,风化花岗岩抗冲能力逐渐减弱,其破碎程度与冲击速度呈正相关;冲击速度为4 m/s和5 m/s的等速循环冲击会使风化花岗岩渗透性呈现先减后增的趋势,而冲击速度为6 m/s的等速循环冲击会使风化花岗岩渗透性持续增大至岩样损坏;岩体渗透性受其有效孔隙度的影响,随有效孔隙度的增大整体呈现上升趋势,同时风化花岗岩初始有效孔隙度越大,冲击后其内部孔隙结构更易发生改变,后续循环冲击荷载下增渗效果更明显。