闭孔泡沫铝应变率效应的试验和有限元分析

通过对具有不同孔隙率的闭孔泡沫铝在不同应变率下的动态压缩试验和数值模拟,研究了泡沫铝的应变率敏感性.结果表明:在准静态(0.001s-1)至2500s-1的应变率范围内,具有相同孔隙率的泡沫铝的静、动态单轴压缩变形模式相似,而具有不同孔隙率的泡沫铝的压缩变形模式则存在差异,高孔隙率和低孔隙率泡沫铝的应变率敏感性明显不同;基体材料的应变率敏感性决定了泡沫铝的应变率敏感性;微惯性、波效应和孔内气体压力对泡沫铝的平台应力不产生明显影响.     

Al-Si闭孔泡沫铝材料的压缩行为

对熔体转移发泡法制备的不同密度Al-Si闭孔泡沫铝材料进行了准静态压缩实验,研究了Al-Si闭孔泡沫铝材料的准静态压缩力学行为及变形机制,并从微观上分析了相对密度对Al-Si闭孔泡沫铝材料的力学性能影响.结果表明,Al-Si闭孔泡沫铝材料的压缩过程具有明显的脆性材料压缩变形特征,即经历三个阶段线弹性阶段、脆性崩溃阶段、致密化阶段.相对密度对Al-Si闭孔泡沫铝材料的力学性能影响显著,随着相对密度的增加,压缩强度和弹性模量逐渐增大,且理论结果与试验结果比较吻合.     

3004铝的动态力学性能及本构模型

为了得到3004铝的动态力学性能及本构模型,运用静态实验机和分离式Hopkinson压杆动态加载装置,在温度为10～400℃、应变率为0.000 5～2 000s-1范围内得到了3004铝在准静态拉伸及动态压缩条件下的应力-应变曲线,并基于Johnson-Cook材料模型对其进行拟合分析.结果表明:3004铝有明显的应变率强化效应和温度软化效应,其应力随应变率的增加而增加,随温度的升高而降低;拟合得到的3004铝动态本构关系曲线可以描述出材料在大应变率和高温下的力学性能.     

闭孔泡沫铝特征统计及其变形行为实验研究

以椭圆拟合长方体闭孔多边形泡沫铝表面孔截面,运用统计学的方法研究了泡沫铝试件表面孔的大小、形状和方位等分布特征.统计结果表明:上述孔的各项几何特征参数除方位外服从高斯分布. 应用图像处理技术,获取了单轴压缩变形前后泡沫铝试件的表面图像.利用序列数字图像相关方法对泡沫纯铝变形前后的图像进行相关计算,获得了静态单向压缩条件下闭孔泡沫铝材料表面全场变形及局部孔结构的变形,同时根据试验结果计算了试件的名义应力-应变曲线,给出了压缩过程中孔壁的失效顺序和破坏规律.对块体材料的压缩实验表明,泡沫纯铝是以多个断裂带的形式破坏和吸收能量.     

不同加载应变率下钨合金变形及破坏机理研究

采用准静态压缩、霍普金森动态压缩以及爆炸加载3种不同加载方式,研究了钨质量分数为97.5%的高钨合金在不同加载应变率条件下的变形以及破坏机理.试验结果表明:钨合金在应变率为10-4s-1准静态加载条件下,大量钨颗粒在与轴向呈45°方向发生拉伸塑性变形并在径向发生解理断裂;在应变率为103s-1量级的动态压缩条件下,钨合金在与加载应力呈45°方向发生了局部剪切,径向外表面发生钨-钨断裂以及钨颗粒解理断裂;爆炸加载应变率达到105～106s-1的条件下,钨合金内部产生大量钨颗粒碎块,且在个别钨颗粒内产生条状花样,同时钨颗粒内部产生大量形变孪晶作为裂纹萌生源,增加了钨合金内钨颗粒解理断裂.钨合金在高应变率加载条件下为纯脆性断裂.     

含硅橡胶的泡沫铝应变率敏感性研究

用渗流法向开孔泡沫铝中充填硅橡的方法获得含硅橡胶的泡沫铝材料,并在Hopkinson压杆实验装置上对含硅橡胶的泡沫铝进行动态压缩实验,研究这种材料的动态压缩力学行为及应变率敏感性。结果表明,含硅橡胶的泡沫铝压缩应力-应变曲线具有两阶段变形特征,即弹性段和塑性平台段,与不含硅橡胶的泡沫铝相比,这种材料具有更高的应变率敏感性,随着应变率的提高,其屈服强度和流动应力均显著升高。     

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.      

泡沫铝材料的一维粘塑性本构关系

通过对不同初始密度的泡沫铝进行准静态压缩和动态冲击试验,得到了泡沫铝材料在中低应变率下的力学行为,结合分析含多种内变量的粘塑性本构模型的物理意义,推荐了适合于泡沫铝材料的一维粘塑性本构模型,并对推荐模型进行了拟合,拟合结果与实验结果吻合比较好,该模型和实验结果均反映了泡沫铝材料的应变率负敏感特性。     

钢筋混凝土柱动态加载试验及数值模拟

为研究不同加载路径和加载速率下钢筋混凝土柱式构件的力学性能,对4组钢筋混凝土柱进行了不同加载路径下的慢速和快速加载试验,并基于OpenSees软件对试验结果进行了数值模拟.结果表明:快速加载下试件承载能力高于慢速加载,但试件延性降低;相较于单向加载,双向加载下试件刚度、强度退化加剧,试件卸载、再加载刚度均有不同程度降低,变形能力下降;双向加载时,十字形加载路径对试件力学性能影响较弱,菱形加载路径下试件延性降低幅度最大,强度、刚度退化最为迅速,试件力学性能受加载速率影响也最为显著;钢筋应变率随其所处位置距试件底部距离的增加逐渐降低,应变率最大值发生在塑性铰区域内;本文基于OpenSees中的集中塑性铰梁单元,采用Scott等改进后的Kent-Park混凝土本构模型和Mohle-Kunnath钢筋本构模型,并考虑材料的应变率效应建立的计算模型可有效模拟钢筋混凝土柱在不同加载速率下的主要动态力学性能.     

铝合金PLC效应与声发射特性的实验研究

考虑退火温度和应变率对6063铝合金力学性能的影响,采用材料试验机和声发射测试系统对铝合金PLC效应和声发射特性开展实验研究,获得了不同应变率下材料的应力-应变曲线和不同退火温度下声发射参数的变化规律.结果表明,2×10-3,2×10-4,2×10-5s-1应变率加载时,6063铝合金的应力应变曲线表现出明显的PLC现象,降低加载应变率,PLC现象增强,并出现了从A型到C型的转化;加载应变率为2×10-4s-1时,PLC效应的临界应变随退火温度的升高而降低;由于细观结构上可动位错密度的增加,屈服阶段试件中产生的声发射振铃计数急剧增加,达到峰值;进入到塑性强化阶段,声发射活动减弱;弹性变形阶段和塑性强化阶段产生突发型信号,而屈服阶段为连续型信号,与试件的均匀变形以及剪切变形带的形成与传播相关.      

闭孔泡沫铝准静态压缩试验的有限元仿真

根据泡沫铝孔洞的结构特点,建立了单一孔十八面体力学框架模型,进而组建泡沫铝力学矩阵模型。通过有限元分析软件对其进行纵向加载准静态模拟仿真试验,得到了力学矩阵模型的应力分布图、位移与变形分布图以及应力-应变曲线。将仿真试验得到的应力-应变曲线分为4个阶段,分析了各阶段的产生过程和力学原理,得到泡沫铝纵向准静态压缩时的力学相关性能,为进一步实体试验和工程应用提供了技术参考。     

硅橡胶动态拉伸力学性能的实验研究

为研究硅橡胶在高应变率下的拉伸力学性能,基于旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸测试系统,针对硅橡胶低模量、低强度的特点,选择和确定了拉伸试件与入射杆/透射杆的机械连接方式以及拉伸试件的形状和尺寸,实现了硅橡胶材料的高应变率（350 s^-1）单向拉伸试验.采用自动网格法应变测试技术,实施了硅橡胶在准静态（0.001 s^-1）和中应变率（1 s^-1）加载条件下的单向拉伸试验.拉伸应力-应变测试结果表明：硅橡胶的拉伸力学行为具有明显的超弹性特征,且具有显著的应变率相关性,其拉伸模量随着加载应变率的升高而增大.     

动态加载条件下细晶镁合金的组织特征及形成机制

研究细晶镁合金在动态加载条件下的力学特性和组织关系,分析细晶镁合金在动态加载条件下的变形行为;探讨镁合金在动态加载条件下组织特征及演变机制.研究结果表明:细晶镁合金的动态抗压强度明显高于准静态抗压强度,具有明显的应变率强化效应.细晶镁合金在动态加载下压缩的变形组织中只有少量的孪晶,滑移是细晶镁合金在动态加载条件下塑性变形的主要机制.     

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。     

利用数字图像处理技术研究泡沫铝的变形特性

采用数字图像处理技术,结合一些数据处理方法量化图片信息,分析了长方体泡沫铝试件在准静态压缩条件下的即时相对密度变化和纵截面孔隙率分布及变化情况.用该方法得到的即时相对密度具有一定的稳定性,且与前期工作的结果相吻合;加载时,随着应变的增加,纵截面各部分的孔隙率都减少,变形发生在整个试件中,但整个纵截面上的孔隙率变化不均匀,上下两端孔隙率的变化率要低于中部,这主要与加载平台对试件两端的约束有关;随着应变的增加,孔隙率的变化率在整个纵截面上趋于均匀.     

Shape formation of closed-cell aluminum foam in solid–liquid–gas coexisting state

The mold pressing process was applied to investigate the formability of closed-cell aluminum foam in solid–liquid–gas coexisting state. Results show that the shape formation of closed-cell aluminum foam in the solid–liquid–gas coexisting state was realized through cell wall deformation and cell movement caused by primary α-Al grains that slid, rotated, deformed, and ripened within cell walls. During formation, characteristic parameters of closed-cell aluminum foam were almost unchanged. Under proper forming conditions, shaped products of closed-cell aluminum foam could be fabricated through mold pressing.