應(yīng)力波加載下材料動態(tài)斷裂韌性相關(guān)實驗技術(shù)研究.pdf

1、近年來，有關(guān)于航天器、飛機、船舶、橋梁等在動態(tài)載荷作用下的結(jié)構(gòu)受力分析、損傷演化和安全評估等已經(jīng)成為研究的熱點課題。材料動態(tài)斷裂韌性已經(jīng)逐步成為工程設(shè)計以及結(jié)構(gòu)安全性分析的重要依據(jù)，是斷裂動力學(xué)的前沿課題之一。由于實驗裝置及測試技術(shù)的限制，目前所取得的一些表征方法和測試手段均存在著不同程度的缺陷。目前，針對應(yīng)力波加載的動態(tài)斷裂實驗多是基于霍普金森桿(Hopkinson bar)實驗裝置，但是，對于動態(tài)斷裂韌性實驗尚未能形成統(tǒng)一標(biāo)準。因此

2、，開展應(yīng)力波加載的動態(tài)斷裂韌性實驗技術(shù)研究是十分必要的。
　　本文圍繞應(yīng)力波加載下材料動態(tài)斷裂韌性相關(guān)實驗技術(shù)開展了以下工作:
　　為實現(xiàn)緊湊拉伸(CT)試樣動態(tài)斷裂韌性測試，針對Hopkinson拉桿實驗裝置提出了改進，通過采用直接加載方式和夾具加載方式，實現(xiàn)拉伸應(yīng)力波加載不同大小的CT試樣動態(tài)斷裂韌性測試，并通過有限元方法驗證了改進方案的可行性。針對加載長持續(xù)時間的拉伸應(yīng)力波實驗，避免實驗測得的入射波和反射波重疊現(xiàn)象，使

3、用了一種連接套管將Hopkinson拉桿入射桿延長，通過實驗研究了連接套管對入射波傳播的影響。
　　對于Hopkinson壓桿(SHPB)加載三點彎曲(3PB)試樣動態(tài)斷裂韌性實驗，利用空心鋁合金透射桿解決透射波測試困難的問題。利用有限元方法分析了空心透射桿壁厚對透射波傳播行為的影響，結(jié)果表明在相同加載條件下空心透射桿比實心透射桿獲得的透射波脈沖幅值大，透射桿壁厚增加使得透射波幅值減小。另外，分析了試樣跨距的影響。
　　為了

4、抑制Hopkinson桿加載實驗中應(yīng)力波幾何彌散，分別針對Hopkinson拉桿和壓桿實驗提出了波形整形方法。采用金屬短桿和整形墊片相結(jié)合的方式對Hopkinson拉桿進行波形整形，實驗結(jié)果表明，該種方法使入射波的高頻振蕩被有效抑制。對于Hopkinson壓桿實驗裝置，提出了一種異型撞擊桿方案，通過有限元分析和實驗的方法研究了改進效果，結(jié)果表明使用這種異型撞擊桿可以有效的抑制應(yīng)力波幾何彌散效應(yīng)。
　　采用分析法和實驗方法對CT試樣

5、動態(tài)斷裂韌性進行研究。利用加載點位移和彈簧質(zhì)量模型得到了CT試樣動態(tài)應(yīng)力強度因子的近似表達，利用有限元對CT試樣在三種典型動態(tài)載荷下動態(tài)應(yīng)力強度因子進行計算，與得到的近似表達式結(jié)果一致。利用應(yīng)變片法和數(shù)字圖像相關(guān)方法獲得了拉伸應(yīng)力波加載的CT試樣動態(tài)斷裂韌性。同應(yīng)變片法結(jié)果進行比較，表明數(shù)字圖像相關(guān)方法在計算動態(tài)斷裂韌性值的準確性。通過實驗研究了2A12-T4鋁合金CT試樣對不同裂紋形式及預(yù)制疲勞裂紋長度對動態(tài)斷裂韌性的影響，結(jié)果表明線

6、切割缺口代替預(yù)制裂紋試樣比線切割缺口預(yù)制裂紋試樣的動態(tài)斷裂韌性值大，試樣預(yù)制疲勞裂紋長度越長其動態(tài)斷裂韌性越小。
　　利用有限元分析了CT試樣預(yù)制疲勞裂紋形狀、試樣加載孔位置和大小對CT試樣動態(tài)斷裂韌性影響。結(jié)果表明CT試樣幾何參數(shù)對試樣達到應(yīng)力平衡時間影響較小，但對試樣起裂和動態(tài)斷裂韌性有一定影響。
　　為了研究Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型裂紋動態(tài)斷裂韌性，將SHTB測試系統(tǒng)與緊湊拉伸剪切試樣(CTS)及其測試裝置相結(jié)合，實現(xiàn)拉伸應(yīng)力波加