應(yīng)力波加載下材料動(dòng)態(tài)斷裂韌性相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究.pdf

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

2、，開展應(yīng)力波加載的動(dòng)態(tài)斷裂韌性實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)斷裂韌性相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)開展了以下工作:
　　為實(shí)現(xiàn)緊湊拉伸(CT)試樣動(dòng)態(tài)斷裂韌性測(cè)試，針對(duì)Hopkinson拉桿實(shí)驗(yàn)裝置提出了改進(jìn)，通過(guò)采用直接加載方式和夾具加載方式，實(shí)現(xiàn)拉伸應(yīng)力波加載不同大小的CT試樣動(dòng)態(tài)斷裂韌性測(cè)試，并通過(guò)有限元方法驗(yàn)證了改進(jìn)方案的可行性。針對(duì)加載長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的拉伸應(yīng)力波實(shí)驗(yàn)，避免實(shí)驗(yàn)測(cè)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(zhǎng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了連接套管對(duì)入射波傳播的影響。
　　對(duì)于Hopkinson壓桿(SHPB)加載三點(diǎn)彎曲(3PB)試樣動(dòng)態(tài)斷裂韌性實(shí)驗(yàn)，利用空心鋁合金透射桿解決透射波測(cè)試?yán)щy的問(wèn)題。利用有限元方法分析了空心透射桿壁厚對(duì)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(shí)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(shí)驗(yàn)中應(yīng)力波幾何彌散，分別針對(duì)Hopkinson拉桿和壓桿實(shí)驗(yàn)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(duì)Hopkinson拉桿進(jìn)行波形整形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該種方法使入射波的高頻振蕩被有效抑制。對(duì)于Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)裝置，提出了一種異型撞擊桿方案，通過(guò)有限元分析和實(shí)驗(yàn)的方法研究了改進(jìn)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(shí)驗(yàn)方法對(duì)CT試樣

5、動(dòng)態(tài)斷裂韌性進(jìn)行研究。利用加載點(diǎn)位移和彈簧質(zhì)量模型得到了CT試樣動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的近似表達(dá)，利用有限元對(duì)CT試樣在三種典型動(dòng)態(tài)載荷下動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行計(jì)算，與得到的近似表達(dá)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(dòng)態(tài)斷裂韌性。同應(yīng)變片法結(jié)果進(jìn)行比較，表明數(shù)字圖像相關(guān)方法在計(jì)算動(dòng)態(tài)斷裂韌性值的準(zhǔn)確性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了2A12-T4鋁合金CT試樣對(duì)不同裂紋形式及預(yù)制疲勞裂紋長(zhǎng)度對(duì)動(dòng)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(dòng)態(tài)斷裂韌性值大，試樣預(yù)制疲勞裂紋長(zhǎng)度越長(zhǎng)其動(dòng)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(duì)CT試樣動(dòng)態(tài)斷裂韌性影響。結(jié)果表明CT試樣幾何參數(shù)對(duì)試樣達(dá)到應(yīng)力平衡時(shí)間影響較小，但對(duì)試樣起裂和動(dòng)態(tài)斷裂韌性有一定影響。
　　為了研究Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型裂紋動(dòng)態(tài)斷裂韌性，將SHTB測(cè)試系統(tǒng)與緊湊拉伸剪切試樣(CTS)及其測(cè)試裝置相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)拉伸應(yīng)力波加