复合纸板力学性能和应变率相关性测试与表征

为了研究复合纸板材料在不同应变率下的力学响应,利用万能材料试验机和高速率拉伸试验机进行了准静态和动态拉伸试验,同时利用高速摄像机和数字图像相关法(Digital image correlation,DIC)记录拉伸破坏过程和应变场。试验结果显示,纸板材料的拉伸力学性能和破坏机制具有明显的应变率相关性。随着应变率的增大,材料的拉伸强度显著增大,断裂应变在中应变率范围内也表现出明显的应变率效应。对比试验结果和3种应变率效应比表征模型的拟合结果,基于Cowper-Symonds表达式的表征模型,能够很好地描述纸板材料在中低应变率下的应变率效应。该模型对薄壁纸管能量吸收性能的模拟和理论研究,以及冲击防护结构设计提供了理论支撑。     

带孔复合材料层板动态拉伸破坏的应变率效应

采用三维Hashin准则作为纤维束损伤判据,根据材料不同损伤模式制定相应的材料性能退化方案,并考虑应变率效应对材料的强度性能进行修正,建立含孔复合材料层合板的渐进损伤分析模型,模拟材料在不同应变率下的损伤破坏过程。通过动态拉伸试验,获得材料在不同应变率下的载荷-位移关系及孔边不同位置的时间-应变关系,讨论了应变率对材料拉伸性能的影响及试件孔边的应力集中情况。有限元分析结果与试验数据相一致,证明了本文所提出分析模型的正确性和有效性。     

氧化铝陶瓷SHPB加载下的数值模拟研究

利用微裂纹扩展区模型,在JH-2本构模型中增加了类似于TCK本构模型的拉伸损伤因子,编制了材料本构模型子程序,并将其嵌入到LS-DYNA970有限元软件中,对SHPB实验进行了数值模拟。结果表明,Weibull参数k对陶瓷试样的拉伸损伤有较大的影响,当Weibull参数k值小于1×1020时,试样破坏是压缩破坏;当Weibull参数k超过1×1028时,试样破坏是拉伸损伤破坏。当载荷超过陶瓷压缩强度时,含初始裂纹氧化铝陶瓷的破坏形式是拉伸损伤和压缩破坏共同作用的结果;当载荷小于陶瓷压缩强度时,JC陶瓷破坏是拉伸损伤作用的结果。     

高应变率及各向异性对航空铝合金7050拉压不对称性的影响分析（英文）

采用霍普金森拉杆及压杆装置,分别在1 000、2 000和4 000 s-1应变率下对3个典型成型方向(轧向RD、横向TD和法向ND)进行霍普金森动态拉伸和压缩实验,借助扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)、金相显微镜观察(Metallographic microscope)及电子背散射衍射(Electron backscatter diffraction,EBSD)从微观角度进行分析,研究高应变率及各向异性对航空铝合金7050拉压不对称性的影响。结果表明:拉伸和压缩表现出明显的不对称性,具体为拉伸时材料屈服强度明显大于压缩时的屈服强度;并且随着应变率的增加,拉伸/压缩的弹性阶段的不对称性越来越弱,强化阶段不对称性越来越强。同一应变率下,不同取向下拉伸/压缩的流变应力的变化趋势不同,这与晶粒的受力方向有关。通过EBSD晶粒取向分析和原材料织构极图分析,发现拉伸/压缩的晶粒细化程度差距越大,进而导致宏观流变应力差距较大。     

基于细以方法的颗粒增强复合材料弹塑性分析

针对高体积含量的颗粒增强复合材料，提出了一种细观结构模型：将颗粒简化为同质、同尺寸的弹性圆球，两颗粒之间的连接基本简化为一弹塑性短圆柱体，并假设细观应力、应变和塑性区均为轴对称分布。其体和颗粒的变形行为分别简化为类似于弹性地基和弹性半空是，以此为基础，建立了反映一对颗粒法向和切向变形协调关系的两个积分方程。数值求解这两个方程，可得到一对颗粒间基体中细观应力的分布形式，从而建立颗粒对的细观弹塑性本构，采用平均化方法，进一步推导出材料宏观的应力－应变关系。本文利用该模型对一种金属基复合材料的拉伸实验进行了模拟，理论预测与实验结果吻合较。     

基于人工神经网络的混凝土类材料SHPB动态压缩性能预测

针对混凝土类脆性材料高应变率下本构行为,结合ABAQUS有限元仿真与反向传播（Back propagation,BP）人工神经网络技术,对分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson pressure bar,SHPB）实验过程中关键波形参数进行仿真和机器学习,建立了混凝土类材料SHPB高应变率下力学性能预测的机器学习模型,极大地提升了复杂脆性材料受冲击状态下变形行为与本构参数之间关联机制的计算效率。利用商业有限元软件ABAQUS的动态分析模块,通过在入射杆自由面设置4种不同的应力波,得到在不同应变率下材料应力-应变曲线,通过对比数值模拟结果和SHPB实验,验证了基于有限元分析的计算结果准确性。以20组ABAQUS仿真结果作为训练样本,其中入射波作为输入层,透射波和反射波作为输出层,建立相应的机器学习预测模型。研究结果表明：基于BP人工神经网络技术的机器学习预测模型具有良好的适用性,可代替量大且耗时的有限元仿真建模、分析及后处理流程,实现了高应变率下混凝土类材料应力-应变曲线形式本构行为的高效准确预测,同时可以预测给定训练样本以外更大应变率范围下材料应力-应变曲线。     

中心开孔加筋壁板压缩性能研究

为了研究飞机结构中不同开孔尺寸加筋壁板在压缩载荷下的屈曲行为和后屈曲行为,本文设计了相应的试验方法和试验夹具,完成了壁板压缩试验。得到了不同开孔尺寸加筋壁板的屈曲/破坏载荷、失稳过程及破坏模式。结果表明：加筋壁板的屈曲模式是筋条间蒙皮和筋条外蒙皮发生相反的变形,且屈曲模态随载荷的增加发生多次跳变;加筋壁板的压缩破坏模式是在屈曲变形的基础上筋条伴有明显的变形。针对不同开孔尺寸的加筋壁板进行压缩加载有限元仿真,得到的屈曲与破坏模式和试验的吻合,屈曲/破坏载荷与试验结果的误差在4%以内,验证了有限元模型的有效性。随着开孔尺寸的增加,加筋壁板的屈服载荷先缓慢减小后快速增大;壁板的破坏载荷逐渐减小,最终结构失去后屈曲承载能力。     

机场跑道改性沥青混凝土抗冲击性能

为研究中高应变率下NRP和掺高粘剂的SBS两种改性剂对AC-13型沥青混凝土动力性能的影响,采用直径74 mm SHPB装置进行了4个气压下的冲击压缩试验,获得了不同种类改性沥青混凝土的破坏形态及应力-应变曲线。研究表明：沥青混凝土动态应力-应变曲线分为弹性变形、塑性强化和塑性破坏3个阶段,破坏形态分为裂缝、破损、块裂和碎裂4种;两种改性剂均能改善沥青混凝土的抗冲击性能,并且对峰值应力和冲击韧性的应变率敏感性有一定影响,在不同应变率范围内两种改性剂对冲击韧性增强作用不同,NRP对峰值应力增强作用优于掺高粘剂的SBS;应变率超过130/s时,沥青混凝土出现弹性模量退化现象,NRP对弹性模量有提高作用。     

组合L形钢管再生混凝土短柱的轴压性能研究

为研究组合L形截面钢管再生混凝土柱的轴压性能,建立了13个L形钢管再生混凝土柱有限元模型(其中12个为组合L形截面柱,1个为普通L形截面柱),分析组合L形钢管再生混凝土柱的破坏形态与轴压承载力,并与普通L形截面试件的轴压性能进行对比,计算分析了再生骨料取代率、截面长宽比、钢管厚度以及再生混凝土强度等级对组合L形钢管再生混凝土短柱的轴压承载力的影响规律。研究结果表明:试件破坏形式是中部鼓曲破坏;组合L形钢管再生混凝土柱较普通L形钢管再生混凝土柱有更高的极限承载力,轴压性能更好;再生骨料取代率的变化对此构件的轴压性能影响不明显;增大钢管厚度与再生混凝土强度等级均能明显提高试件的轴压极限承载力;一定范围内长宽比的改变有利于构件承载力的提高。     

多层石墨烯界面力学行为的分子动力学模拟

通过分子动力学方法,在不同应变率和不同温度下对多层石墨烯进行拉开过程模拟,并以此研究了多层石墨烯层间界面性能的拉伸速率和温度效应。研究结果表明,随着拉开界面的应变速率的增加,多层石墨烯界面强度也随之提高,但当加载速率提高到1e10 s~(-1)后,界面强度趋于平稳。此外,研究也表明,多层石墨烯界面强度先随着温度的升高而出现增加,但温度到达350 K后,界面强度出现减小的现象;同时基于分子动力学模拟结果,计算了多层石墨烯层间界面内聚力本构关系的界面参数。     

高温下IC10合金的动态再结晶特性研究(英文)

为了研究IC10合金的动态再结晶特性,利用MTS809材料测试系统对其在900°C、不同应变率(10-4～10-2s-1)下进行了拉伸试验。试验结果表明:(1)不同应变率下的应力-应变曲线具有类似的特征,并且IC10合金的流变应力对应变率敏感;(2)流变应力、临界应力和临界应变随着应变率的增加而增大。基于TEM和SEM试验IC10合金的力学特性机理。为了描述IC10合金的动态再结晶行为,本文提出了一个新的宏观唯象本构模型。该模型的预测与试验结果比较验证了其有效性。     

双模量泡沫材料等效弹性模量的细观力学估算方法

目前常用的泡沫材料力学模型均不能反映出该材料的拉压双模量效应。因此,本文在分析泡沫材料拉、压变形力学机制的基础上,建立了一种可以反映泡沫材料拉压双模量效应新的细观力学模型,分别推导了泡沫材料等效拉伸和等效压缩Y oung′s模量的估算公式。此外,本文通过泡沫材料的单向拉伸、压缩试验,完成了泡沫材料拉压双模量效应的试验验证。估算公式的预测与试验结果的比较表明:理论估算公式的计算结果满足工程所要求的精度。     

航空铝合金7050-T7451高速切削加工中流动应力模型

通过对分离式Hopkinson压杆进行高温动态压缩实验,得到在冲击压缩中材料航空铝合金7050-T7451在室温到高温550℃的应变、应变率与应力间的数据依赖关系.利用高速切削实验及有限元模拟相结合对该数据关系进行修正以适合高速切削加工的"高温"、"高应变率"及"大应变"状态.选择综合考虑温度软化效应,应变强化和应变率强化效应的经验Johnson-Cook模型,对其数据关系进行量化的描述,并确定铝合金7050-T7451流动应力本构模型中材料常数的值,最后建立了铝合金7050-T7451的本构模型.以实验和模拟中输出主切削力为比较指标,验证了所建模型的正确性.     

SPH方法在层裂损伤模拟中的应用

采用光滑粒子流体动力学方法和Johnson—Cook拉伸累积损伤破坏模型,分别对工业纯铁和无氧铜两种材料的平面碰撞问题作了数值模拟。给出了靶板层裂损伤的二维数值模拟结果。通过对比自由面速度曲线的计算结果和实验数据,二者吻合的很好,验证了SPH方法层裂破坏问题数值模拟的有效性。通过分析由不同拉伸损伤时间常数得到的自由面速度曲线,表明拉伸损伤时间常数对计算结果有重要影响。     

聚氨酯复合泡沫塑料压缩本构关系

基于聚氨酯复合泡沫塑料的准静态压缩及动态压缩实验数据,讨论了不同材料参数和实验环境对材料应力-应变特性的影响。在此基础上,本文对Sherwood-Frost的本构关系框架进行了扩充,引入了空心球填充比的影响,然后基于实验数据用数值方法拟合了聚氨酯复合泡沫塑料包含应变率、密度以及填充比的压缩本构关系。     

碳纤维织物增强树脂复合材料准静态压缩力学性能实验

针对一种碳纤维二维正交平纹机织布增强树脂基复合材料,对其三个主方向（垂直于碳布方向、碳布经向、碳布纬向）进行了准静态压缩实验,得到了三个主方向上准静态条件矿下的应力-应变曲线和压缩强度。通过对各主方向上的应力-应变曲线的分析,表明该复合材料各主方向上压缩力学性能是碳纤维和树脂基体的力学性能共同起作用的结果,同时碳纤维的初始微屈曲对纵向压缩力学性能、压缩强度都会产生很大影响;碳布经向和纬向的压缩强度都低于垂直于碳布方向的压缩强度,但弹性模量较高;各主方向的压缩破坏模式也有所不同。     

平面机织复合材料低温力学性能数值分析与试验验证

建立了单向玻璃纤维增强复合材料及酚醛树脂基平面机织复合材料层合板周期性单胞三维(3-D)有限元模型,在两个模型的有限元分析中引入周期性边界条件,保证了周期性单胞边界面的应力和应变的连续性。通过有限元模拟获得单向纤维增强材料的各项力学参数。模拟了常温及低温情况下基体模量改变这两种情况下层合板拉伸、压缩和剪切的渐进损伤过程。引入合适的损伤起始和损伤扩展准则,预测了层合板在两载荷下的破坏过程。在常温和-50℃两种情况下,对平面机织复合材料进行了拉伸、压缩、剪切试验。将有限元模拟结果与层合板在常温和低温下的试验结果进行了对比,进一步讨论了影响酚醛树脂基复合材料层合板低温力学性能的因素,得出了材料在低温情况下力学性能优于常温情况,同时也用试验验证了分析方法的正确性。     

三维编织钢纤维增强渍浆混凝土的受压力学性能

三维编织钢纤维增强渍蒙混凝土(3-D braided steel fiber reinforced concrete,3-D-BSFC)是用新工艺研制出的一种纤维三维定向增强混凝土.本文设计优选了3-D-BSFC材料的原材料与配合比,成功制备出不同纤维不同体积含量的3-D-BSFC试件,研究了其受压力学特性及钢纤雏体积率和纤维类型的影响规律.结果表明,三维编织钢纤维能显著提高基体混凝土的强度及韧性,分别提高3倍和2倍以上,同时改善了其变形能力;BSFC的破坏表现出明显的延性破坏特征,最大纵向压缩量可达20%左右.     

二维编织C／SiC复合材料高温拉伸性能研究

对二维编织C／SiC复合材料在1300℃高温氩气、湿氧环境下拉伸性能进行了实验,结合断口观察分析了其在拉伸载荷下的损伤和破坏机理。试验结果表明,二维编织C／SiC复合材料在高温氩气、湿氧环境下表现为非线性特征,通过对比发现,由于氧化作用,高温氩气环境下拉伸强度、破坏应变和比例极限均高于高温湿氧环境。断口观察表明,基体开裂、层间分层以及纤维和纤维束的断裂拔出是材料拉伸破坏的主要形式。     

复合材料层合板结构的广义强度准则

在试验研究的基础上,将复合材料层舍板看作一个"宏观各向异性板",提出了一种基于试验的复合材料层合板结构广义强度准则的二次完备表达式,并分析了表达式中各参数的试验求解方法.对3种典型铺层的层合板进行纵向拉伸、纵向压缩、横向拉伸、横向压缩、面内剪切等简单裁荷以及双向拉伸、拉剪组合(纵向、横向)等组合栽荷试验.给出了不同铺层形式下广义强度准则表达式中各项系数值.采用该强度准则预测复杂应力状态下的破坏应力与试验值吻合较好.