新型TB9钛合金屈服强度的应变率效应

TB9钛合金具有良好的力学性能,被广泛应用于航空航天领域,其材料强度随服役过程中应力作用的加载速率变化而发生改变。本文采用三次真空自耗熔炼工艺制备TB9钛合金材料,并对其开展了室温拉伸和压缩试验,研究了该材料在应变率0.0005-0.1 s-1范围内的力学性能及其变形行为,讨论了应变率对该材料压缩和拉伸屈服强度的影响。结果表明：应变率由0.0005 s-1升高至0.1 s-1时,TB9钛合金材料的平均压缩屈服强度由955.96 MPa升高至1 090.94 MPa,平均拉伸屈服强度由971.01 MPa升高至1 096.31 MPa,压缩屈服强度应变率敏感系数为0.02273,拉伸屈服强度应变率敏感系数为0.02110;随着应变率的增大,TB9钛合金拉伸试件断面韧窝尺寸及深度均会变小,这是由于应变率大时,瞬间局部能量增加,裂纹萌生和扩展速度加快所致。此外,本文采用线性函数拟合了TB9钛合金材料室温下屈服强度增强因子与自然对数应变率之间的关系,可用于预测TB9钛合金在工程应用中的力学行为。     

压缩载荷下6005A铝合金力学性能的研究

利用电子万能实验机和Hopkinson压杆实验装置对高速动车组使用的铝合金材料分别进行了准静态和不同应变率下的动态压缩实验,得到了相应的应力.应变曲线.实验结果表明,在不同应变率下,整个应力-应变曲线无明显的屈服现象,也无明显的屈服极限;该铝合金材料的屈服极限、瞬时流动应力均随着应变率的增大而增大,但在应变率较低时,两者增大的幅度并不显著,在应变率较高时,两者才随着应变率的增大而急剧增大;在动态加载条件下,该铝合金材料的变形表现出非线性特征.     

聚丙烯纤维混凝土SHPB试验研究

采用变截面大尺寸的Hopkinson压杆对素混凝土与聚丙烯纤维混凝土试件进行了冲击压缩(split-hopkinsonbe,SHPB)试验,得到了不同应变率下的聚丙烯纤维混凝土动态压缩强度及应力-应变全过程曲线,证实了聚丙烯纤维混凝土材料的应变速率敏感性,结果对于计算聚丙烯纤维混凝土在高速冲击及爆炸条件下的响应很有意义.     

闭孔泡沫铝压缩力学性能的实验和三维有限元模拟

基于X射线电子计算机断层扫描技术,建立了反映闭孔泡沫铝真实结构的三维有限元模型.对闭孔泡沫铝准静态和动态压缩力学性能进行了实验和数值模拟,分析了闭孔泡沫铝的变形特性及力学性能,验证了模型的可靠性.结果表明,准静态压缩下,试件主要沿加载轴45°方向产生塑性变形.压缩速率为低速时,其变形模式与准静态相同.闭孔泡沫铝试件截面上结构薄弱处首先出现应力集中,材料达到塑性屈服.在高速压缩下,试件加载端首先达到塑性屈服.比较闭孔泡沫铝不同应变率下的屈服强度,动态压缩下的屈服强度远高于准静态压缩下的.应变率280~700 s-1下,其屈服强度变化不明显,应变率继续升高至2 000 s-1,屈服强度略微提高.      

基于机器学习的梯度点阵材料优化设计

点阵材料具有轻质、抗冲击、高能量吸收等特性，因而在航天飞行器承载部件设计等领域有广阔应用前景. 通过对点阵材料内部杆径进行合理的梯度设计，可以提高点阵材料在高速冲击载荷作用下的动态力学性能. 利用仿真模拟数据，基于随机森林模型实现了梯度点阵材料的动态力学响应预测和结构参数优化. 以面心立方（face center cubic，FCC）结构梯度点阵材料为研究对象，通过对杆径参数的调整实现点阵材料密度的梯度化设计. 通过LS-DYNA软件计算了密度分布不同的梯度点阵材料受到冲击载荷作用时的动态力学响应，包括冲击端面与支撑端面接触应力随时间的变化曲线. 基于随机森林模型，以各层胞元的相对密度为输入，实现对点阵材料端面峰值应力的预测，并基于Gini指数分析出对不同端面处峰值应力影响最大的胞元层. 将网格搜索算法与训练好的随机森林对接，分别以两个端面上的峰值应力最高作为优化目标，获得点阵材料各层胞元相对密度的最优值. 模型对梯度点阵材料端面峰值应力的预测误差在5%以内. 数值模拟验证结果表明，优化后所得梯度点阵材料相应端面上的峰值应力高于仿真数据集内任何结构.      

6008铝合金冲击实验及其动态本构模型

为了弥补6008铝合金在冲击载荷作用下的力学性能及其动态本构模型研究的不足,采用RPL-100型材料试验机和分离式霍普金森压杆获取了该材料在不同应变率下的应力—应变曲线.结果表明:随着应变率的增加,6008铝合金的屈服强度、强度极限与流动应力增加,应变硬化率减小,屈服滞后现象明显.基于实验结果与Johnson-Cook模型,引入Cowper-Symonds本构模型来描述6008铝合金的应变率效应,同时考虑到该材料冲击过程中绝热温升的影响,构建了适用于6008铝合金的改进Johnson-Cook模型.结果表明,改进Johnson-Cook模型能够能较好地描述6008铝合金的应变率效应并能准确地预测其流动应力,可为实际工程中的数值模拟问题提供参考.     

泡沫混凝土的力学特性试验研究

利用普通硅酸盐水泥为胶凝材料,用少量粉煤灰和矿粉取代部分水泥,按照质量比16:3:1(依次为水泥、粉煤灰、矿粉)、水料比0.5,制备了不同气泡含量的泡沫混凝土。对试样进行单轴压缩破坏试验,得到了不同龄期不同气泡含量的泡沫混凝土破坏应力以及其应力-应变曲线,研究了强度、弹性模量随龄期的变化规律以及与气泡率之间的关系,探讨了泡沫混凝土弹性模量与强度之间的关系。结果表明,泡沫混凝土的抗压强度在一定范围内,受龄期影响较大,而弹性模量受龄期影响较小;抗压强度、弹性模量、屈服应变随气泡率增大而减小;强度和弹性模量与气泡率成指数关系,强度与弹性模量成对数关系。     

动态压缩下混凝土应变率效应压力与横向效应的影响与校正

混凝土在高应变率条件下具有非常明显的应变率强化效应.然而,在动态压缩试验过程中混凝土试件内也必然存在横向惯性效应;而且由于常用的混凝土动态本构关系中应变率效应与静水压影响被假设是解耦的,因此需要对其进行归一化处理.基于试验结果,利用波动力学理论,结合数值计算,对动态压缩试验中试件内的横向惯性效应和静水压效应进行分析和校正,并给出了混凝土材料压缩强度的真实应变率强化规律.研究表明:随着试件径向尺寸与应变率的增加、材料声速和破坏应变的减小,试件的横向惯性效应愈加明显;混凝土试件压缩强度在高应变率区间的应变率强化效应非常明显,对比之下,对试件内横向惯性效应与静水压影响进行校正后的混凝土材料压缩强度的真实应变率强化效应远低于前者;在高应变率区间,混凝土材料由于其内在含孔隙与随机预损伤等结构问题应该存在应变率强化效应,但随着应变率的提高,该强化趋势会减小,直至趋于一个近似恒指.      

冷成型不锈钢部件力学性能的精确预测

冷加工截面构件的制作过程导致材料的力学性能和强度有明显的改变．本文提出了精确预测不锈钢材料和冷加工材料力学性能的研究结果．首先,本文对不锈钢材料提出了一种新的应力-应变关系模型,这种模型可以精确预测全范围内的拉应变和压应变．新的应力-应变模型采用3个基本的Ramberg—Osgood参数,并基于对已有试验数据的详细分析来定义．在论文的第二部分,提出了预测冷加工材料的应力-应变性能的有限元模型．该方法中,通过对压弯成形截面制作过程的数值模拟,以及在随后对Coupon测试的有限元模拟中以加工过程中所导致的残余应力和等效塑性应变作为初始状态,解释了冷加工材料的应力-应变性能．这种方法能够预测冷加工材料的拉伸和压缩的应力-应变性能．新提出的应力-应变模型以及有限元方法的精度通过和试验得到的应力-应变曲线的对比进行了验证．所提出的有限元方法和新的应力-应变模型可以在将来应用到原始材料和冷加工材料的关系中．     

脉冲整形器在聚碳酸酯的SHPB试验中的应用

对聚碳酸酯材料进行不同应变率下SHPB试验的动态力学响应的研究,同时采用脉冲整形器技术分析了其尺寸和撞击速度与脉冲波形的影响关系,再应用到SHPB试验中以获得聚碳酸酯试件在试验过程中满足动态应力平衡的条件,以及获得近似恒应变率加载的条件.试验结果表明,聚碳酸酯材料具有应变率敏感效应,并且强度随着应变率的增大而提高.     

激光快速成形与锻造TC4钛合金力学行为对比研究

采用MTS万能材料试验机和分离式Hopkinson Bar技术,分别对激光快速成形与传统锻造TC4钛合金进行了准静态及动态压缩试验,研究了2种制备方法生产TC4钛合金的力学行为.结果显示,在准静态和动态压缩变形下,锻造TC4-1#(forging TC4-1#)等轴组织均表现出最好的塑性及强度,且呈现出较强的应变强化效应;锻造TC4-2#(forging TC4-2#)网篮组织及激光快速成形TC4(LRF TC4)网篮组织在准静态条件下压缩时,表现出了相同的力学响应规律,即强度、塑性相当,应变强化效应较弱.在动态压缩变形下,锻造TC4-2#网篮组织和激光快速成形TC4沉积态网篮组织塑性相当,但前者的动态流变应力高于后者. 3种材料均为应变率敏感材料,但应变率效应不同;锻造TC4-2#材料显示了最高的应变率敏感性,激光快速成形TC4材料应变率敏感性最弱,锻造TC4-1#材料敏感性居于二者之间.     

高强混凝土SHPB试验研究

采用变截面大尺寸的Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆,对直径分别为７２ｍｍ,６２ｍｍ的高强混凝土试件进行了冲击压缩（ＳＨＰＢ）试验,得到了不同应变率下的混凝土动态压缩强度及应力－应变全过程曲线,证实了混凝土材料的应变速率敏感性,结果对于计算高强混凝土在高速冲击及爆炸条件下的响应很有意义。     

3D激光沉积增材制造TC4高应变率动态力学行为及本构关系研究

通过对3D激光沉积TC4在较宽温度（298~1 073 K）和应变率范围（0.001~5 000 s^-1）内的单轴压缩试验,系统研究了该材料的塑性流动行为,分析了材料的微观组织特性及其变形断裂微观机制.结果表明材料在压缩载荷下具有明显的应变率硬化和温度软化效应.在压缩加载条件下,材料的破坏模式为绝热剪切带的萌生和拓展,而初始缺陷成为诱导剪切带形成的主要原因.3D激光沉积TC4材料屈服强度与铸造TC4接近,略低于传统锻造TC4.文中基于位错动力学热激活理论建立了可以较好描述材料在不同温度不同应变率下的塑性流动行为物理概念的本构模型.     

水泥砂浆应变率效应研究

为分析试件长径比和应变率对水泥砂浆动态力学性能的影响规律,采用准静态实验测量了砂浆的单轴压缩强度、弹性模量以及泊松比.利用分离式SHPB压杆进行1维应力压缩实验,对水泥砂浆试件进行了回收和比较,获得了不同长径比水泥砂浆试样在不同加载速率下的动态损伤破坏过程和应力应变曲线,研究了动态强度增强因子随应变率的变化规律.结果表明:动态压缩强度随应变率的增加而显著增大;试件直径相同时,厚度小的获得的动态强度增强因子要小于厚度大的;随着应变率提高,试件损伤增加,碎块尺寸越小,表明破坏能量随应变率的增加而提高.      

预应力钢绞线动态力学拉伸性能及本构关系

首先利用电液伺服加载试验机对单束钢绞线在(10~(-3)~10~(-1)s~(-1))应变率范围内进行动态力学拉伸试验;然后根据实验数据,分析了不同应变率对屈服强度的影响规律;并对我国设计规范中用于硬钢类材料简化计算的Ramberg-Osgood本构模型进行修正,以获得可以更好地描述钢绞线动态拉伸应力-应变关系的本构模型。研究表明,单束钢绞线的应变率越大,其屈服应变和极限应变越小,屈服强度越大。修正后的Ramberg-Osgood本构模型能够较好地描述钢绞线动态拉伸应力-应变关系;并且随着应变率的增大,钢绞线的硬化指数减小,残余应变增大。     

模内镶件注塑膜片的粘弹性本构模型

在G'sell理论和DSGZ模型基础上,提出了模内镶件注塑膜片的粘弹性本构模型--CF-DSGZ模型.该模型不仅可以描述膜片材料的屈服和应变软化、应变硬化特性,还考虑了不同加载方式下静水压力的影响,克服了DSGZ模型预测玻璃化以上温度时材料的真实应力―应变具有较大误差的缺陷.文中以PMMA-IRK-304膜片材料为例,通过不同温度和拉伸速度下的单向拉伸实验和常温单向拉伸与压缩实验验证模型的准确性.结果表明,除了初始小应变阶段存在若干小偏差外,CF-DSGZ模型预测曲线与实验数据吻合得很好.     

应力路径对粉土力学特性的影响试验

应力路径是影响土体强度和变形特性的重要因素,本文利用GDSTAS全自动三轴仪对苏北地区的粉土开展常规三轴压缩、减压三轴压缩、等压压缩3种应力路径的力学特性试验。结果表明:应力路径对粉土应力-应变特性影响显著,常规三轴压缩应力路径下应力-应变特性因围压大小而不同,等压压缩应力路径和减压压缩应力路径下粉土应力-应变特性都为应变软化型,但软化程度不同;不同应力路径下粉土的应力-应变特性可采用应变软化模型和双曲线模型进行拟合,拟合结果较好;相同围压下,常规三轴压缩应力路径下粉土强度最大,轴向应变的变化速率最快,等压压缩应力路径粉土强度次之,减压压缩应力路径强度最低,轴向应变的变化速率最慢。研究结果能为工程中不同应力路径下粉土地基设计计算提供较为可靠的力学指标。     

铸造泡沫铝合金压缩性能及电磁屏蔽性能

对采用熔体发泡法制备的不同孔径、不同材质的Al-Si和Al-Mg泡沫铝合金进行了压缩试验和电磁屏蔽性能研究.结果表明:铝镁合金泡沫铝压缩过程中无明显断裂阶段,应力-应变曲线表现出明显的塑性特征,泡沫铝合金整体表现出较好的塑性特征;同种材质的泡沫铝材料中,随着孔隙率P的增加,泡沫铝的屈服强度σ_(0.2)以及弹性模量E均随之下降,但孔径大小对屈服强度σ_(0.2)以及弹性模量E的影响较小;随着孔隙率P的降低或者孔径的减小,泡沫铝的反射损耗与吸收损耗增大,从而泡沫铝的电磁屏蔽能力升高,研究表明泡沫铝的电磁屏蔽能力与电磁波的入射角度无关;孔隙率的变化对泡沫合金电磁屏蔽性能的影响相对于改变其他条件对电磁屏蔽的影响要小.     

不同应力路径及颗粒级配下青岛海砂试验研究

进行青岛海砂在不同应力路径下的三轴试验.利用GDS三轴试验系统,得到青岛海砂的应力-应变曲线,分析青岛海砂在不同应力路径下力学响应的细观机理.分别探讨了标准三轴路径、等p路径、被动压缩路径、等主应力比路径下青岛海砂的力学性质.将不同应力路径下青岛海砂的应力-应变曲线进行对比,分析不同应力路径和颗粒级配对青岛海砂力学性质的影响.标准三轴路径下青岛海砂的峰值强度最高,等p路径下次之,被动压缩路径下最低;被动压缩路径下体应变值最大,等p路径次之,标准三轴试验最小.这说明随着围压的增大,砂土强度值逐渐增大,体应变值会逐渐减小.颗粒级配对峰值强度有一定影响,但对剪胀量的影响不明显.     

高应变率下混凝土动态力学性能SHPB实验

利用φ100 mm霍普金森压杆试验设备,研究了混凝土材料在冲击荷载下的动态压缩性能,分析验证了实验结果的有效性、一致性和试样中的应力均匀性问题,得到了混凝土材料在较高应变率范围内的动态应力-应变关系.研究表明,混凝土材料的动态应力-应变呈非线性关系;混凝土材料为应变率敏感性材料,在较高应变率范围内混凝土材料的动态应力-应变关系是与应变率相关的;混凝土材料的破坏应力和破坏应变随应变率的增大而增大.