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冲击荷载下免蒸养活性粉末混凝土分形特征研究

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工程力学 2021年第3期38卷 169-180页

作者：谢磊李庆华徐世烺浙江大学建筑工程学院浙江杭州310058

应用?80 mm分离式霍普金森压杆系统(shpb)得到了免蒸养活性粉末混凝土(RPC)在6组冲击气压(0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.1 MPa)下的峰值强度和吸能值,通过筛分试验统计了相应应变率范围(约90 s-1~290 s-1)内破碎产... 详细信息

应用?80 mm分离式霍普金森压杆系统(shpb)得到了免蒸养活性粉末混凝土(RPC)在6组冲击气压(0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.1 MPa)下的峰值强度和吸能值,通过筛分试验统计了相应应变率范围(约90 s-1~290 s-1)内破碎产物中不同粒径颗粒的质量分布特征;采用分形维数对试件的破碎程度进行表征,探究了峰值强度和吸能值随分形维数的变化规律,并与其他水泥基材料进行了对比。结果表明:免蒸养RPC破碎产物的平均粒径随应变率增加而线性递减,随着冲击气压的增加,粗颗粒碎片逐渐转化为细颗粒碎片,中等颗粒碎片的质量没有显著变化;分形维数与冲击速度和应变率间存在指数性关系,峰值应力与吸能值随分形维数的增大而增长,通过对比发现免蒸养RPC的抗破碎能力优于普通混凝土和钢纤维混凝土。通过定量分析破碎分形特征与力学性能之间的关系可以对材料进行更全面的评估。

关键词：冲击压缩活性粉末混凝土 shpb系统应变率分形特征

超高韧性水泥基复合材料动态压缩力学性能的数值模拟研究

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工程力学 2019年第9期36卷 50-59页

作者：徐世烺陈超李庆华赵昕浙江大学高性能建筑结构与材料研究所

该文基于HJC本构模型,采用分离式霍普金森杆(shpb)压杆系统,对掺有聚乙烯醇(PVA)纤维的超高韧性水泥基复合材料(PVA-UHTCC)的动态压缩力学性能进行了数值模拟研究。首先,通过系统分析确定了21项HJC本构参数,并验证了模拟的正确性。基于... 详细信息

该文基于HJC本构模型,采用分离式霍普金森杆(shpb)压杆系统,对掺有聚乙烯醇(PVA)纤维的超高韧性水泥基复合材料(PVA-UHTCC)的动态压缩力学性能进行了数值模拟研究。首先,通过系统分析确定了21项HJC本构参数,并验证了模拟的正确性。基于此,通过分析5组应变率下材料的动态压缩应力-应变曲线讨论了峰值应力动态增强因子DIF的应变率效应,并通过LS-DYNA软件探讨了破坏过程、破坏形态与应变率的关系。模拟结果表明:随着应变率的增加,PVA-UHTCC材料的动态压缩应力-应变曲线呈现由应变硬化主导向着损伤软化主导的转变趋势;此外,PVA-UHTCC峰值应力动态增强因子DIF具有明显的应变率效应,其值随着应变率增加而增加,且在不同应变率区间呈现不同敏感性;通过量化DIF这种分区敏感性,提出了适用于PVA-UHTCC材料的DIF与应变率对数■分段函数式;同时,通过对比钢纤维增强水泥基材料(SFRCC)和普通混凝土材料,发现PVA-UHTCC材料的DIF应变率敏感性较低。最后,通过LS-DYNA软件模拟试件裂缝扩展和压碎破坏过程,更好地理解了PVA-UHTCC材料动态压缩破坏行为。

关键词： PVA-UHTCC 数值模拟动态压缩性能 HJC本构模型 shpb系统应变率效应压缩破坏

两种致密度2D-C/SiC层向动态压缩性能试验研究

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复合材料学报 2007年第5期24卷 90-96页

作者：刘明爽李玉龙陶亮徐绯成来飞西北工业大学航空学院西北工业大学材料科学与工程学院

对两种致密度的2D-C/SiC复合材料进行了层向动态压缩性能试验研究,两种致密度材料通过控制CVI(Chemical vapor infiltration)工艺参数得到。试验在shpb装置上进行,使用改变波形整形器几何尺寸的方法基本实现恒应变率加载。试验结果表明... 详细信息

对两种致密度的2D-C/SiC复合材料进行了层向动态压缩性能试验研究,两种致密度材料通过控制CVI(Chemical vapor infiltration)工艺参数得到。试验在shpb装置上进行,使用改变波形整形器几何尺寸的方法基本实现恒应变率加载。试验结果表明:动态压缩应力-应变曲线呈明显的非线性,与静态试验相比两种致密度试样均有一定的应变率强化效果,即随着应变率的增加,抗压强度提高,失效应变减小,剪切损伤角增大。致密度提高后抗压强度明显增加但失效应变减小,且表现出脆性特征,剪切损伤角也明显增大。动态试验数据有较大的分散性,低、高致密度试样动态破坏强度的Weibull分布系数分别为8.36和5.27。SEM观察发现,低致密度试样纤维束断口不平整,高致密度试样断口相对平整;纤维束多发生整束剪断,动态条件下纤维破碎多于静态。

关键词：陶瓷基复合材料 shpb系统 Weibull分布致密度

PVDF压力传感器标定及在激光推进实验中的应用

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爆炸与冲击 2011年第1期31卷 31-35页

作者：崔村燕洪延姬李修乾何国强西北工业大学航天学院陕西西安710072 装备指挥技术学院基础部北京101416

详细介绍了PVDF压力传感器的设计方法和2个等效测量电路。利用shpb系统对PVDF压力传感器的动态灵敏度进行了标定,结果显示,不同并联电阻对于PVDF压力传感器动态灵敏度的影响不大,但对脉冲推力上升时间的测量结果有影响,选择较小的并联... 详细信息

详细介绍了PVDF压力传感器的设计方法和2个等效测量电路。利用shpb系统对PVDF压力传感器的动态灵敏度进行了标定,结果显示,不同并联电阻对于PVDF压力传感器动态灵敏度的影响不大,但对脉冲推力上升时间的测量结果有影响,选择较小的并联电阻可以获得更逼真的测试信号。

关键词：爆炸力学动态灵敏度并联电阻 PVDF压力传感器激光推进 shpb系统

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改善Hopkinson压杆的波形分离技术

哈尔滨工程大学学报 2009年第4期30卷 461-465页

作者：刘瑞堂果春焕哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院黑龙江哈尔滨150001

在阐述一维应力波的理论知识和Hopkinson压杆(split Hopkinson pressure bar,shpb)系统的工作原理基础之上,采用波形整形器改善加载波形振荡,且在入射杆2个不同位置粘贴应变片来测量应变波形,利用大距离应变片粘贴方法的分离波形技术改... 详细信息

在阐述一维应力波的理论知识和Hopkinson压杆(split Hopkinson pressure bar,shpb)系统的工作原理基础之上,采用波形整形器改善加载波形振荡,且在入射杆2个不同位置粘贴应变片来测量应变波形,利用大距离应变片粘贴方法的分离波形技术改善shpb系统杆长的限制.结果表明,该方法能有效地分离叠加波形,得到完整的入射波和反射波,并且简化了试验的处理过程.同时,采用入射波、反射波和透射波三者之间的关系以及测试的原始波形和分离波形之间的比较来验证,说明了该波形分离技术的合理性及可行性.

关键词： shpb系统波形整形器分离波形技术一维应力波

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岩石动态断裂韧度温度相关性的实验研究

岩石动态断裂韧度温度相关性的实验研究

作者：陈明飞安徽理工大学

学位级别：硕士

岩石的动态断裂性能与加载条件、环境温度密切相关。工程实践中岩石类材料环境温度不同,呈现的断裂破坏往往也各异,因此,深入研究温度对岩石类材料动态力学性能的影响,探索岩石在不同温度下的动态断裂韧度,对结构的安全设计,防止岩石断... 详细信息

岩石的动态断裂性能与加载条件、环境温度密切相关。工程实践中岩石类材料环境温度不同,呈现的断裂破坏往往也各异,因此,深入研究温度对岩石类材料动态力学性能的影响,探索岩石在不同温度下的动态断裂韧度,对结构的安全设计,防止岩石断裂、破碎、滑移、流变、爆裂等破坏性事故的发生具有重要的理论和实践意义。根据Central Cracked Circular Disk-Split Hopkinson Pressure Bar (CCCD-shpb)测试原理,采用平台巴西圆盘开展温度对岩石类材料动态断裂性能影响的实验研究,实验过程中通过控制加载脉冲幅值,使得所有测试试件的加载速率基本一致,仅改变试件测试的环境温度,实现了岩石类材料在同一加载速率、不同温度下的动态断裂实验,进而开展岩石材料动态断裂韧度的温度相关性研究。通过推广准静态条件下中心裂纹圆盘试件应力强度因子公式,获得中心裂纹圆盘试件的动态应力强度因子计算表达式,以试件两端平均载荷的最大值P max所对应的时间为裂纹起裂时间,将P max代入动态应力强度因子公式计算动态断裂韧度KId。测试结果表明,温度处于10-100。C时,动态断裂韧度KId随着温度的升高而逐步下降,近似呈线性关系。利用ABAQUS有限元分析软件,以实测的载荷作为模拟载荷建立动态有限元分析模型,求解中心裂纹圆盘试件动态应力强度因子的近场解和远场解。结果表明试件的远场解和裂纹尖端处的近场解比较吻合,从而验证了依据推广后的中心裂纹园盘试件动态应力强度因子公式计算岩石动态断裂韧度的可靠性。本文研究的岩石试件分别采用黑色花岗岩和白色花岗岩二种材料。对于黑色花岗岩材料的试验研究和有限元分析结果表明：加载速率为139250(Mpa·m1/2s-1)左右、环境温度处于10-100。C区间时,断裂韧度KId随着温度的升高逐步降低,从8.0(Mpa·m1/2)近似线性下降至6.5(Mpa·m1/2);对于白色花岗岩材料的试验研究和有限元分析结果表明：在加载速率为101144(Mpa·m1/2s-1)左右、环境温度处于10-100。C时,断裂韧度KId也是随着温度的升高逐步降低,即从5.7(Mpa·m1/2)近似线性下降至4.5(Mpa·m1/2)。

关键词：断裂韧度巴西圆盘 shpb系统温度

Fe-Mn-Cr-N奥氏体不锈钢在高应变率下的动态变形行为及微观组织演变

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Fe-Mn-Cr-N奥氏体不锈钢在高应变率下的动态变形行为及微观组织演...

作者：杜时丹太原科技大学

学位级别：硕士

奥氏体不锈钢因其具有较高的强韧性,良好的耐蚀性及无磁性,被广泛应用于各行各业。Fe-Mn-Cr-N钢是一种无镍奥氏体不锈钢,通过N元素的添加增强奥氏体稳定性,作为电站和航空航天工业领域的结构材料,将在高温、高压和交变载荷等极端的工况... 详细信息

奥氏体不锈钢因其具有较高的强韧性,良好的耐蚀性及无磁性,被广泛应用于各行各业。Fe-Mn-Cr-N钢是一种无镍奥氏体不锈钢,通过N元素的添加增强奥氏体稳定性,作为电站和航空航天工业领域的结构材料,将在高温、高压和交变载荷等极端的工况条件下使用。目前对于Fe-Mn-Cr-N奥氏体不锈钢在不同条件下的变形行为研究并不充分,大多集中在静态变形行为上,而对高应变速率塑性变形行为的研究报道较少,因此,研究高应变率加载条件下的力学行为具有重要意义。本文利用金相显微镜（OM）、电子衍射背散射（EBSD）技术、维氏硬度计等表征方法,研究了Fe-Mn-Cr-N高氮奥氏体钢在宽温域和宽应变速率条件下的变形行为和微观组织演变规律,研究结果将为该材料的工业生产和应用提供理论基础。首先,利用万能试验机和shpb系统对Fe-Mn-Cr-N奥氏体不锈钢在室温进行了宽泛应变率下的压缩力学性能的测试,铸态和锻态试样的力学性能变化趋势大体一致,锻态Fe-Mn-Cr-N奥氏体不锈钢的强度和塑性均高于铸态。Fe-Mn-Cr-N奥氏体不锈钢的屈服强度随着应变速率的增大不断提高,而高应变速率（动态加载）下的屈服强度明显提高,这是由于氮元素的间隙固溶体强化作用。Fe-Mn-Cr-N奥氏体不锈钢的层错能较低,塑性变形时容易产生平面位错结构和变形孪晶。在发生冷变形时,变形机制为滑移和孪生共同作用。其次,利用Gleeble-3800热模拟机和shpb系统研究了铸态Fe-Mn-Cr-N钢在准静态和动态加载条件下的动态热变形行为和组织演变规律。应力-应变曲线表明,材料的屈服应力和流变应力均显著地依赖于应变速率,应变速率敏感性从低应变速率(0.001～0.1s-1)时的0.050增加到高应变速率(4500～5500 s-1)时的1.507。Fe-Mn-Cr-N钢在高应变速率下发生高应变速率硬化,其原因是位错的扩展和孪晶的产生。在低应变速率(0.001～0.1s-1)下,组织演化以位错滑移和动态回复为主。当应变速率提高到2500～3500 s-1时,位错滑移和机械孪晶共同协调塑性变形。当应变速率为4500～5500 s-1时,由于绝热温升（ΔT）的影响,形变带中形成了以孪晶为基础的动态再结晶（DRX）,且随着应变速率的增加,动态再结晶分数增加。在2500～3500 s-1应变速率范围内,高硬度主要是由于应变速率硬化,而在4500～5500 s-1应变速率范围内,硬度的降低主要是由于变形后的再结晶软化。考虑绝热温升的修正Johnson-Cook（J-C）模型与实验结果吻合较好,可用于预测Fe-Mn-Cr-N钢在高应变速率加载下的塑性变形行为。最后,进一步对预加载后的试样进行950℃保温30 min的退火热处理,分析退火热处理对不同预加载Fe-Mn-Cr-N钢变形微观组织的影响。变形和退火在提高金属材料的强度和塑性方面发挥着重要的作用,细晶是强化金属材料的有效方法。结果表明:在准静态和动态下的强度均增强,预变形以滑移为主,含有大量位错,表现为位错强化机制;退火处理后发生完全静态再结晶,其引起的晶粒细化对材料塑性的提高起到积极作用。经塑性变形的金属中,会积累大量位错,加热到一定温度或保温足够时间后,无畸变的等轴晶粒取代变形后的畸变晶粒。

关键词： Fe-Mn-Cr-N奥氏体不锈钢 shpb系统动态变形行为力学性能微观组织

C/SiC复合材料动态压缩力学性能实验研究

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C/SiC复合材料动态压缩力学性能实验研究

作者：刘明爽西北工业大学

学位级别：硕士

纤维增强陶瓷基复合材料C/SiC保留了陶瓷材料的耐高温、低密度、高比强度、抗氧化、抗腐蚀等优点，同时通过纤维的补强增韧，克服了陶瓷材料脆性大的缺点，可望用于航空发动机的燃烧室、整体涡轮、导向叶片、尾喷管，以及火箭发动机的... 详细信息

纤维增强陶瓷基复合材料C/SiC保留了陶瓷材料的耐高温、低密度、高比强度、抗氧化、抗腐蚀等优点，同时通过纤维的补强增韧，克服了陶瓷材料脆性大的缺点，可望用于航空发动机的燃烧室、整体涡轮、导向叶片、尾喷管，以及火箭发动机的燃烧室和喷管，大幅度提高推重比，具有广阔的应用前景。利用万能电子实验机和我校自行研制的shpb(Split Hopkinson Press Bar)系统对两种致密度2D-C/SiC复合材料和准三维针刺C/SiC复合材料进行了室温条件下的静态和动态压缩力学性能研究，分析了其应变率效应和动态破坏强度的Weibull分布，并利用体视显微镜和SEM对破坏后断口进行了观察，分析了其破坏机理。实验结果表明，两种致密度2D-C/SiC复合材料和准三维针刺C/SiC复合材料都存在一定的应变率效应，即随着应变的增加，破坏强度增加，失效应变减小，但表现出的率敏感性不强。低、高致密度2D-C/SiC复合材料和三维针刺C/SiC复合材料在动态加载条件下，破坏强度均基本服从Weibull分布，其Weibull模数分别为：8.36、5.27和8.19。实验后断口观察发现，较高致密度2D-C/SiC复合材料试样的剪切损伤角较大，且动态加载条件下大于静态;准三维针刺C/SiC复合材料静态加载条件下呈剪切破坏和分层破坏，而在动态加载条件下呈劈裂破坏。SEM观察发现在动态加载条件下，试样中碳纤维的破碎程度加剧。在2D-C/SiC复合材料实验数据的基础上提出了一个含有宏观损伤变量的动态本构模型，与实验结果吻合较好。本文还对两种致密度2D-C/SiC复合材料进行了200℃、400℃和600℃高温动态压缩性能实验研究，分析了其破坏强度随应变率和温度的变化规律。实验结果表明，两种致密度2D-C/SiC复合材料试样的破坏强度在不同温度下都随应变率的增加而增加;相同应变率下，高致密度试样破坏强度随着温度的升高而呈下降趋势，低致密度试样破坏强度在静态加载条件下，其破坏强度随温度的升高而下降，而动态加载条件下，破坏强度随温度的升高而增加。

关键词：陶瓷基复合材料 shpb系统 Weibull分布动态本构方程致密度损伤变量

超高韧性水泥基复合材料动态力学性能的数值模拟研究

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超高韧性水泥基复合材料动态力学性能的数值模拟研究

作者：陈超浙江大学

学位级别：硕士

近年来,随着对建筑结构可靠性要求的不断提高,冲击荷载对结构的影响越来越受关注,研究建筑材料动态力学性能的重要性日益凸显。同时,随着计算机技术的发展,利用有限元软件数值模拟混凝土类材料的动态力学性能成为研究趋势。借助数值模... 详细信息

近年来,随着对建筑结构可靠性要求的不断提高,冲击荷载对结构的影响越来越受关注,研究建筑材料动态力学性能的重要性日益凸显。同时,随着计算机技术的发展,利用有限元软件数值模拟混凝土类材料的动态力学性能成为研究趋势。借助数值模拟的研究手段,能够更好地理解材料的动态力学行为,同时能够有效降低科研成本并提升研究效率。本文利用LS-DYNA有限元软件,采用分离式霍普金森杆(shpb)系统,对掺有聚乙烯醇(PVA)纤维的超高韧性水泥基复合材料(PVA-UHTCC)的冲击压缩和层裂力学行为分别进行了数值模拟研究,为其更好应用于新材料结构提供重要科学依据。本文主要工作及成果如下:(1)创新地将HJC本构模型参数按照来源进行分类,并基于系统地研究分析确定了 PVA-UHTCC材料的各参数取值。(2)在 5 种加载速度下(2.0m/s,4.5m/s,6.3m/s,7.6m/s,9.4m/s)对PVA-UHTCC材料的shpb冲击压缩试验进行了数值模拟研究。结果表明:PVA-UHTCC材料的压缩应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变和极限应变等性能具有应变率效应。其中,峰值应力动态增强因子DIF存在应变率分段敏感性。此外,证明了 PVA-UHTCC试件的冲击压缩破坏形态与应变率相关,且与试验吻合度高。(3)进一步,对PVA-UHTCC材料进行了 shpb层裂试验数值模拟。结果表明:PVA-UHTCC材料的层裂强度与应变率、压缩损伤和纤维特性三者具有复合关系。此外,发现应力波峰值的传播变化规律与加载速度相关。通过分析自由面速度波形图中的层裂信号,对试件损伤演化规律进行了研究。最后,分析了不同加载速度下PVA-UHTCC试件的层裂破坏过程及形态,更好地理解了该材料的层裂行为。

关键词： PVA-UHTCC 数值模拟冲击压缩性能层裂性能 HJC本构模型 shpb系统