脆性材料在冲击荷载下的力学行为研究现状
脆性材料在冲击荷载下的力学行为研究现状
脆性材料在冲击荷载下的力学行为研究现状西安理工大学的贾竞等在2015年5月研究了表面热冲击下脆性材料半空间不同方位裂纹的临界长度，他们认为：结构承受热冲击时，温度非均匀性会导致结构产生热应力，从而引起裂纹的萌生和扩展。
该文研究脉冲激光作用下的含单裂纹脆性材料半空间温度场和应力场。
基于Fourier( 傅里叶) 热传导和热-力耦合原理，建立瞬态热传导方程和平衡方程; 采用ANSYS 软件实现温度场和应力场三维问题的有限元数值模拟; 分析不同裂纹在不同位置对热应力场的影响，从而得到裂尖应力强度因子; 依据材料临界应力强度因子，通过有限元计算得出不同方位热冲击下裂纹扩展的临界长度。
计算结果表明，脆性材料在受到Gauss( 高斯) 分布激光的辐照时，裂纹长比激光半径为0． 12 时，裂纹较为危险，且在r /r0 = 0． 2 处且与径向夹角为60°的裂纹更为危险，而且材料的断裂应属于剪切型断裂。
这些结果可以为承受热冲击结构中的危险裂纹标定提供理论依据。
北京交通大学的姜文征等在2014年4月研究了不同加载条件下泡沫杆的冲击动力响应，他们认为：基于一维非线性质量弹簧模型，研究了不同冲击加载条件下泡沫材料杆的冲击动力响应特性．在保证初始冲量相同的条件下，对比讨论了矩形载荷、正弦载荷、三角形载荷和倒三角载荷作用下泡沫杆内弹塑性应力波的传播过程，以及杆的动态变形特征．给出了不同载荷作用下的冲击应力增强因子和临界冲量．研究结果确定了不同冲击加载条件下泡沫材料的动力响应特征，对不同工况下泡沫结构的动力学性能设计具有重要的理论指导意义．重庆大学的陈刚等在2011年11月对冲击压缩下氧化铝陶瓷中的延迟破坏进行了实验研究，他们认为：利用轻气炮对不同厚度的氧化铝陶瓷试件进行了平板冲击实验，并借助激光速度干涉仪（ＶＩＳＡＲ）测试了试件的自由面速度历程。
实验结果显示，自由面速度曲线上存在表征破坏波出现的二次压缩信号。
根据实验结果计算获得了破坏波穿过试件的运动进程，并确定了试件中破坏波的运动轨迹近似为一条直线，得出在冲击压力为７．１６ＧＰａ时试件内破坏波波速约为５．０５１ｋｍ／ｓ，破坏延迟时间约为０．１０５μｓ。
脆性材料的力学性能与应用研究
脆性材料的力学性能与应用研究脆性材料是指在受到应力作用时会发生不可逆性断裂的材料。
与韧性材料相比，脆性材料的断裂过程没有明显的塑性变形，即材料极易发生断裂。
在工程领域中，对脆性材料的力学性能和应用进行深入的研究与探索具有重要意义。
一、脆性材料的力学性能分析脆性材料的力学性能主要包括强度、硬度、韧性和断裂韧度等方面的指标。
1. 强度：脆性材料的强度指标主要包括抗拉强度、抗压强度和抗剪强度等。
由于脆性材料的断裂本质上是由于局部破坏引起的，因此其抗拉强度和抗压强度相对较高。
2.硬度：硬度是衡量材料抵抗局部破坏的能力。
脆性材料通常具有较高的硬度，即对外界施加的压力具有较高的抵抗能力。
3. 韧性：与韧性材料相比，脆性材料的韧性较低。
脆性材料在受到应力作用时，往往很快就发生断裂，表现出脆性断裂的特征。
4. 断裂韧度：断裂韧度是指材料在断裂时吸收的能量。
脆性材料的断裂韧度较低，即在断裂前很少能量被吸收。
二、脆性材料的应用研究与发展脆性材料在工程实践中有着广泛的应用，其中一些常见的脆性材料包括陶瓷材料、玻璃和岩石等。
1. 陶瓷材料：陶瓷材料是一类典型的脆性材料，具有优异的耐高温、耐磨损和绝缘性能，因此广泛应用于航空航天、机械制造和电子等领域。
2. 玻璃：玻璃是一种无晶态的非晶态材料，具有高硬度、透明性和化学稳定性等特点，被广泛应用于建筑、光学和电子等领域。
3. 岩石：岩石是地质构造中的主要组成部分，也是一种常见的脆性材料。
岩石在地质勘探、矿山开采和土木工程中发挥着重要作用。
三、脆性材料的研究挑战与发展趋势尽管脆性材料在各个领域有着广泛的应用，但其研究仍然面临许多挑战和问题。
1. 增强韧性：目前，增强脆性材料的韧性是一个研究的热点。
通过添加增韧相或设计多层复合结构等方式来提高脆性材料的韧性，是当前的研究重点。
2. 断裂力学理论：对于脆性材料的断裂行为的理解仍然不够深入。
进一步深入研究脆性材料的断裂力学理论，有助于揭示脆性材料的破裂机制。
低合金钢钢筋的冲击韧性及抗震性能研究
低合金钢钢筋的冲击韧性及抗震性能研究低合金钢钢筋是一种常见的建筑材料，在建筑结构中起到了重要的支撑作用。
研究低合金钢钢筋的冲击韧性及抗震性能，对于提高建筑结构的安全性和抗灾能力具有重要意义。
本文将从实验方法、冲击韧性和抗震性能等方面展开讨论。
首先，研究低合金钢钢筋的冲击韧性需要选择合适的实验方法。
冲击试验是评估钢材抗冲击能力的常用方法之一。
冲击试验通常采用冲击试验机，通过对低合金钢钢筋进行冲击加载，测量其在冲击载荷下的力学性能。
同时，还可以采用金相显微镜、扫描电子显微镜等手段对低合金钢钢筋的微观结构进行观察和分析。
其次，低合金钢钢筋的冲击韧性是评估其抵抗外界冲击力的能力的重要指标之一。
冲击韧性取决于材料的塑性变形能力和断裂韧性。
在冲击试验中，可以通过测量低合金钢钢筋的冲击吸收能量和残余变形等参数来评估其冲击韧性。
较高的冲击吸收能量和较大的残余变形指标表明低合金钢钢筋具有较高的冲击韧性。
另外，低合金钢钢筋的抗震性能也是重要的研究内容之一。
地震是常见的自然灾害，建筑结构的抗震性能对于防灾减灾具有重要意义。
低合金钢钢筋的抗震性能取决于其力学性能和耐久性能。
通过进行静力试验和动力试验，可以评估低合金钢钢筋在不同荷载和振动条件下的力学性能和破坏行为。
同时，还可以通过模拟实际地震情况下的试验和数值模拟，研究低合金钢钢筋在地震作用下的变形、位移和应力分布等参数。
另一方面，低合金钢钢筋的抗震性能还与其表面处理和防腐蚀性能密切相关。
低合金钢钢筋在露天环境中易受到氧化、腐蚀等环境侵蚀，进而降低其力学性能和减小抗震能力。
因此，研究低合金钢钢筋的表面处理方法和防腐蚀性能是提高其抗震性能的关键。
常见的表面处理方法包括镀锌、镀铝锌和喷涂防腐漆等，可以有效延长低合金钢钢筋的使用寿命并提高其抗震能力。
总结起来，低合金钢钢筋的冲击韧性和抗震性能是建筑结构安全性和抗灾能力的关键因素。
通过实验方法、冲击韧性和抗震性能等方面的研究，可以为低合金钢钢筋的应用提供科学依据和技术支持，进一步提高建筑结构的安全性和抗灾能力。
近场动力学理论在脆性材料破坏研究中的应用现状
近场动力学理论在脆性材料破坏研究中的应用现状作者：王玲玲曹俊鑫赵银霜程想孔德文来源：《贵州大学学报（自然科学版）》2021年第03期摘要：近场动力学假定一定范围内的物质点之间存在非局部相互作用，通过空间积分重构物质点的运动方程，克服了传统有限元方法位移场连续性条件的局限，在分析强非线性不连续问题时具有无网格属性的数值优势，已成为研究脆性材料破坏的新兴理论。
本文简要介绍了近场动力学的基本内容及其理论框架，总结了近场动力学理论在脆性材料准静态裂纹扩展、动态裂纹扩展及冲击失效研究方面的应用现状。
关键词：近场动力学;脆性材料;裂纹扩展;数值模拟;冲击失效中图分类号：O346.1文献标志码：A由于本征脆性，混凝土、陶瓷、玻璃等脆性材料的破坏模式与破坏机理研究尤为重要。
在达到极限承载力前，脆性材料经历从微裂纹产生到扩展的损伤过程，较低的抗拉强度使得裂纹扩展成为脆性材料的主要破坏模式。
因此，许多学者力争能够准确预测脆性材料或结构的承载力以及相应的裂纹扩展过程与路径。
目前，数值模拟是研究材料与结构内部裂纹产生与扩展问题的主要方法，如有限元方法（finite element method，FEM）[1]、扩展有限元方法（extended finite element method，XFEM）[2]和粒子方法[3]等。
上述方法可以有效预测材料出现的大部分裂纹问题，但在复杂的裂纹问题（如裂纹合并、裂纹分支和任意三维裂纹问题）研究方面存在一定的局限性，而近场动力学在很大程度上克服了连续介质力学（computational continuum mechanics，CCM）的局限性，能够有效解决复杂的裂纹问题。
近场动力学（peridynamics，PD）的基本思想是由SILLING[4]提出的，它通过空间积分方程的求解来描述物质点的运动，可以看作是经典连续力学的一种非局部形式，因此PD中不再需要CCM中连续位移场的假设。
即使在材料中出现不连续或裂纹，PD的控制方程也可以保持有效性。
冲击载荷作用下煤的动态拉伸及Ⅰ型断裂力学特性研究
建立了煤体预裂爆破的断裂动力学模型,运用最大应力强度因子判据得到炮孔内爆炸临界准静态压力为K<sub>I d</sub>/（πaf（a/r））<sup>1/2</sup>。（2）为研究准静态加载条件下煤的抗拉及I型断裂性能,采用巴西圆盘劈裂法和半圆弯拉法对煤样进行抗拉性能对比测试;并开展不同切缝深度的半圆弯拉煤样I型断裂性能测试分析,探讨平面应变断裂韧度K<sub>IC</sub>和J积分断裂韧度对评价煤的I型断裂性能的适用性,对比分析了两种评价方法对断裂韧度测试结果的影响;并结合CT扫描技术对煤样的裂纹分布特征进行了研究。
随着冲击速度的增大,煤样破坏的损伤变量随之增加,并且饱和含水煤样整体损伤变量随着冲击速度的增大呈指数函数趋势增加。（4）采用直切槽半圆弯拉法和霍普金森加载装置对135个煤样进行动态I型断裂韧性测试,以探讨动态载荷条件下加载率及层理方位对煤样I型断裂韧度的影响。
开展了不同层理角度和切缝深度煤样在多种加载速率下的I型断裂性能测试,分析了不同冲击速度和层理角度对半圆弯拉煤样的动态裂纹扩展特征的影响,得出半圆弯拉煤样在不同加载率下的I型断裂韧度率响应特征模型;并且探讨了煤样I型动态断裂韧度测试的最佳切缝深度范围。研究表明:煤样I型动态断裂韧度为准静态断裂韧度的3.52<sup>8</sup>.64倍,随着煤样加载率和切缝深度的增加,层理面对裂纹扩展特征的影响逐渐减小;冲击速度对煤样I型动态断裂韧度的影响最大,不同层理角度引起的各向异性效应次之,切缝深度的变化对其影响最小;层理角度对于I型动态断裂韧度的影响随着冲击速度的增大而减弱;当煤样的加载率超过临界值后,I型动态断裂韧度的增长趋势发生显著变化,并给出了煤样I型动态断裂韧度变化的率响应特征模型。
冲击载荷作用下韧_脆复合板结构中脆性材料破碎的实验和数值模拟
第11卷 第4期实验力学Vo l.11,No.4 1996年12月JOURNA L O F EXP ERIM ENT AL M ECH ANICS Dec.1996冲击载荷作用下韧-脆复合板结构中脆性材料破碎的实验和数值模拟方 竞 齐 佳 熊春阳(北京大学,100871) 摘要 本文以冲击实验和有限元分析研究了韧-脆复合材料结构中脆性材料的破碎问题。
材料的破碎图具有一定的分形特征,其分形维数随冲击载荷的增大而增加。
基于实验结果的非线性动力有限元分析对这类破碎图样的演化给出了动态过程模拟。
关键词 材料破碎,冲击失效,分形图样演化。
1 前言 脆性破碎是许多材料或结构的重要破坏形式。
在准静态载荷作用下,这些破碎不仅与外部条件(例如机械载荷、热载荷等)有关,而且与材料的初始微缺陷、不均匀性等细微结构有关[1]。
在冲击载荷作用下,其破碎形式常常与动载荷的作用历史(例如应力波聚焦,惯性力效应等)有更直接的关系,诸如心裂、角裂等破碎构造[2]。
不少材料的破碎结构在几何上具有一定的自相似性,即分形特征。
典型的例子如土壤的龟裂、岩石的破碎[4]等。
分析这类分形破碎图样的演化过程,对理解材料的力学破坏机理具有重要意义,本文以冲击实验为基础,分析了韧-脆复合板中脆性材料在冲击载荷作用下的破碎图样,以从中提取破坏特征和获得分形维数,尤其为数值模拟提供基本破坏模式,从而可以用动力有限元程序进行过程的数值模拟。
2 冲击实验 实验用的试件由两块韧性的有机玻璃板和一块脆性的光谱干板玻璃复合而成。
它们的平面尺寸为90m m×90mm,厚度分别为5mm和1.5mm。
玻璃板被夹在两块有机玻璃板之间,四周密封。
复合板水平放置,四周简支,在上平面中心处承受汽枪子弹的冲击载荷。
在集中冲击力作用下,夹层内的玻璃板材发生破碎,外部的韧性板仍保持完整并在卸载后有弹性恢复,从而使脆性材料的破碎图样在冲击后得以保持。
图1给出了子弹药粒分别为a国家自然科学基金和国家教委跨世纪人才计划基金资助项目(a)200,(b)225,(c)285粒情况下各破碎结构的图样。
材料的冲击性能研究及其应用
材料的冲击性能研究及其应用材料的冲击性能是指材料在受到外界冲击或撞击时所能够承受的能力。
这一性能的研究对于材料工程领域的发展以及相关工业应用具有重要意义。
本文将探讨材料冲击性能的研究方法和技术，并阐述其在工业领域中的应用。
一、冲击性能的研究方法冲击性能的研究需要借助专门的实验设备和测试方法。
其中，常用的方法包括冲击试验、破裂机理分析等。
冲击试验是评价材料冲击性能的主要手段之一。
常见的冲击试验方法包括冲击落锤试验和冲击弯曲试验。
冲击落锤试验通过使一重锤自一定高度自由落下，冲击材料样品，再测量样品表面的冲击损伤深度或者材料的冲击吸收能力。
而冲击弯曲试验则是通过将试样在冲击弯曲载荷下进行试验，观察和评估材料的断裂行为和破坏特征。
这些试验方法可以定量地评估材料的冲击性能，并为进一步的工程应用提供依据。
此外，破裂机理分析也是研究材料冲击性能的重要方法。
通过观察和分析冲击试验时材料的变形、裂纹扩展和破坏特征，可以进一步揭示材料受力状态下的机理和行为规律。
这有助于深入理解材料的冲击性能，并为设计和制备更耐冲击材料提供参考。
二、冲击性能的应用材料的冲击性能在众多工业领域中都具有广泛应用。
以下列举了几个常见的应用领域。
1.交通运输领域：汽车、火车和飞机等交通工具在运行过程中往往面临各种外界冲击力，特别是在发生交通事故时。
因此，研究和提高材料的冲击性能对于提高交通工具的安全性至关重要。
通过使用具有良好冲击吸收能力的材料，可以减轻碰撞时对乘客的伤害，降低事故风险。
2.建筑领域：地震和强风等自然灾害时常威胁着建筑物的安全。
研究材料的冲击性能可以帮助设计和建造更加抗震、抗风的建筑物。
在建筑物的结构设计中，应用能够吸收冲击能量的材料，如柔性骨架和高强度纤维，可以有效提高建筑物的抗灾能力。
3.防护领域：冲击性能研究对于研发防弹材料和防护装备具有重要意义。
军事领域中，应用具有出色冲击吸收能力的材料可以为士兵提供更高的安全保障。
材料的冲击韧性及低温脆性课件
06
相关案例分析
案例一：某种材料的冲击韧性研究
总结词
该案例旨在研究某种材料的冲击韧性，通过实验和分析，了解该材料在不同冲 击能量下的断裂行为和材料内部的微观结构变化。
详细描述
该研究采用X射线衍射、扫描电子显微镜和冲击试验机等设备，分析了该材料在 不同冲击能量下的形变、相变和断裂现象。研究发现，随着冲击能量的增加， 材料的断裂强度和韧性逐渐降低。
温度
应变速率
温度是影响低温脆性的关键因素。随着温 度的降低，材料的脆性倾向通常会增加。
应变速率越高，材料的低温脆性越明显。
03
材料冲击韧性与低温脆性的 关系
冲击韧性与低温脆性的联系
冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收能量的能力，而低温脆性是指 在低温环境下材料失去塑性的现象。虽然两者的定义不同，但它们之间 存在一定的联系。
案例三
总结词
该案例探讨了某种材料在冲击韧性和低温脆性方面的综合应用，通过实验和理论分析，研究了材料在 不同环境条件下的性能表现和适用范围。
详细描述
该研究结合了实验和模拟手段，综合分析了该材料的冲击韧性和低温脆性等性能。研究发现，材料的 冲击韧性和低温脆性之间存在一定的关联，通过优化材料的成分和结构，可以同时提高材料的冲击韧 性和低温脆性。这一研究成果为相关领域的设计和应用提供了重要的参考依据。
材料冲击韧性及低温脆性的综合应用
在复杂环境下，材料同时面临冲 击和低温的联合作用，因此需要 综合考虑冲击韧性和低温脆性的
影响
在极地考察、深海探测、太空探 索等极端环境下，材料的综合性 能对装备的安全性和可靠性具有
决定性影响
需要结合具体应用场景，对材料 的冲击韧性和低温脆性进行深入 研究，提出相应的优化设计和安
冲击载荷下弹体材料断裂破坏的数值模拟研究
冲击载荷下弹体材料断裂破坏的数值模拟研究标题：冲击载荷下弹体材料断裂破坏的数值模拟研究摘要：本文通过数值模拟方法，对冲击载荷下弹体材料的断裂破坏进行研究。
首先介绍了冲击载荷对材料的影响以及断裂破坏的机理，然后阐述了数值模拟方法在研究该问题时的重要性和优势。
基于有限元分析和分子动力学模型，通过对材料断裂过程进行数值模拟，深入探讨了材料的应力分布、应变畸变以及断裂形态的变化。
结合实验结果对模拟结果进行验证，得出了一些对冲击载荷下弹体材料断裂破坏的重要认识，为进一步改进材料性能和设计防护措施提供了有益的参考。
1. 引言冲击载荷是许多工程领域中广泛存在的一种现象，其对物体造成的冲击力与时间较短，因此会对材料产生显著影响，尤其在高速碰撞、爆炸和冲击加载等情况下，材料的断裂破坏问题备受关注。
2. 冲击载荷下材料断裂破坏机理在受冲击载荷作用下，材料会出现应力集中和应变畸变等现象，进而导致材料断裂破坏。
在分析材料断裂破坏机理时，需要考虑两个方面的因素：一是材料的物理性质和组织结构，二是外部冲击加载的性质和作用方式。
3. 数值模拟在材料断裂破坏研究中的重要性和优势数值模拟方法在材料断裂破坏研究中广泛应用，其优势在于可以提供更多详尽的应力和应变信息，并且能够模拟材料的断裂形态，为实验结果的解释和改进提供依据。
4. 基于有限元分析模型的数值模拟有限元分析是一种常用的数值模拟方法，适用于对材料断裂破坏进行深入研究。
通过建立合适的有限元模型，可以模拟出材料的应力-应变分布以及断裂破坏的形态，在不同载荷条件下进行参数分析，为材料性能的改进提供指导。
5. 基于分子动力学模型的数值模拟分子动力学模型是一种基于分子尺度的数值模拟方法，可以模拟材料在冲击载荷下的原子层面行为。
通过分子动力学模型，可以得到材料的原子位移、能量等信息，深入揭示断裂破坏的微观机制。
6. 数值模拟结果与实验验证的对比通过对数值模拟结果与实验数据进行对比分析，验证数值模拟方法的准确性和可靠性。
关于钢结构脆性破坏问题研究综述
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工程 科技
Байду номын сангаас
关于钢结构 脆性破坏 问题 研究综述
徐丽丽 １ ， ２ （ １ 、 广西 大学， 广西 南宁 ５ ３ ０ ０ ０ ３ ２ 、 广西 交通职业技 术学院， 广西 南宁 ５ ３ ０ ０ ２ ３ ）
摘 要： 针 对 钢 结 构脆 性 破 坏 问题 进 行 了论述 。 关键 词 ： 钢结构 ； 脆性 ； 破 坏
钢结构是土木 工程 的主要结构种类之一 ， 我国 自新中 国成立以 此外冷加工 、 加载速率对其均有影响 ， 在设计时应加以注意 。另 后， 随着经济建设的发展 ， 特别是实行改革开放政策 以后 ， 钢结构得 外 ， 在使 用上 ， 要 求使 用者不能在 主要 构件上任意焊接 附件或作 为 必须时要 经设计 同意 ； 尽量避免超载 ， 要 注意定期 油漆防 到了前所未有的发展 ， 应用的领域有了较大的扩展。高层和超高层 受力支承， 房屋 、 多层房屋 ， 单层轻 型房屋 、 体育场馆 、 大跨度会展 中心 、 城市桥 护 ， 及 时检修 ， 避 免对结构 的猛烈 敲打 、 撞击 和机械损伤 ； 当气 温低 梁和大跨度公路桥梁等都 已采用钢结构。 钢结构 与其他材料建造的 于结构的设计工作温度时 ， 应对结构进行保暖。 结构相 比， 具有许多优点 ， 比如其强度高 、 材性好 、 工业化程度 高、 工 ３脆 性 断 裂 事故 期短 、 密封 性好 、 抗震性 好等等 ， 但是钢结构 ， 特别是焊接 钢结构受 １ ９ １ ２年 ４月 １ ０ Ｅ ｔ ， 泰坦尼克号从英 国南安普敦 出发 ， 前往 Ｅ ｌ 的 材料性质 ， 加工工艺等方面的因素影响 ， 不 可避 免地存在 各种 缺陷 ， 地美 国纽约 ， 开始 了这艘 “ 梦幻 客轮” 的处 女航 。然 而 ４月 １ ４ 日晚 加之使用条件 的不利作用（ 如超载 、 低温、 动载等 ） 易发生各类 事故 ， １ １ 点４ ０分 ， 泰坦尼克号在北大西洋撞上 冰山（ 大约在 ４ １ 。４ ３ ’ ５ ５ ． ６ ６ 其中脆性破坏 的事故 占相当大的比例ｌ ｌ ｌ 。 “ Ｎ ４ ９ 。５ ６ ’ ４ ５ ． ０ ２ ” Ｗ 附近 ） ， 两小时 四十分钟后 ， ４月 １ ５日凌晨 ２点 钢材的脆性断裂时钢结构 在静 力或加载 次数不多 的动荷载作 ２ ０分沉没 ， 由于只有 ２ ０艘救生艇 ， １ ５ ２ ３ 人 葬身海底 ， 造成 了当时在 用下发生 的脆性破坏 。脆性 破坏在破 坏前 无明显变形 ， 平均应力亦 和平时期最严重的一次航海事故 。 小， 没有任何预兆 ， 破坏断 口平 直和呈有光泽的晶粒状。 脆Ｉ 生 破坏时 这艘偌大的游 轮究竟 为什么会沉于海底呢？ 由于技术上的原因 ， 突然发生 的 ， 事先毫无警 告 ， 危 险性 大 ， 根本来 不及 补救 ， 应尽量避 直至 １ ９ ９ １ 年。 科学考察 队才开始到水下对残骸进行考察 ， 并收集了 免。 在焊接结构逐渐取代铆接结构时期 ， 脆性事故增 多 ， 他们多数出 残骸 的金属碎片供科研 用。 这些碎 片以及沉船在海底的状况使 人们 现在桥梁 、 橱柜 、 船舶 、 吊车梁等钢结构 中。 终 于解 开了 巨轮 “ 泰坦尼克号 ” 罹难之谜 。考察 队员们 发现 了导致 １影响钢 结构脆性断裂的因素 “ 泰坦尼克号” 沉没重要细节 。 引起钢结构脆性 断裂的因素有很多 ， 根据 同济大学教材 《 钢结 造船工程师只考虑到要增加 钢的强度 ，而没有想 到要增加其韧 构基本原理 中指 出其直接 的因素是裂纹尺寸 、 作用应力 的方式 、 性。 把残骸 的金属碎片与如今的造船钢材作一对 比试验 ， 发现在“ 泰 大小 ， 以及 材 料 的 韧 性 。 坦尼克号” 沉没地点的水温 中 ， 如今 的造船钢材在受 到撞 击时可 弯 １ ． １裂纹 成 ｖ形 ， 而残骸上 的钢材则因韧性 不够 而很快断裂 。由此发现 了钢 结构 内部总会存在不 同类型 和不 同程度 的缺 陷， 这些缺陷 的存 材 的冷脆性 ， 即在 一 ４ ０ ℃～ ０ ℃的温度下 ， 钢材 的力学行 为 由韧 性变 在通常可看成是结构内部 的微小裂纹 ，当裂纹扩展 到临界尺 寸 ， 脆 成脆性 ， 从而导致灾难性 的脆性 断裂。而用现代 技术炼的钢只有在 性 断裂 就会 发生 。因此 ， 应尽可能通过控制施 工工艺 、 改善 细部设 ７ ０ ℃一 一 ６ ０ ０ Ｃ的温度下 才会 变脆 。 不过不能责怪 当时的工程师 ， 因 计、 加强质量检 查等方法减小结构 内部 的缺陷 ， 也 就是减小结 构 内 为当时谁也不知道 ， 为了增加钢的强度而往炼钢原料中增加大量硫 部 的微小裂纹。 化物会 大大增加钢 的脆性 ， 以致酿成 了“ 泰坦尼克号 ” 沉没 的悲剧 。 １ ． ２应 力 这一悲惨 的事故证明了低温下钢材 的冲击 韧性变差 ， 以及钢材 如果构 件中有较严重 的应力集 中和较 大的残余拉应 力则容易 中含硫含碳 高会 导致其脆性增加 。 引起构件 的脆性断裂。 构件中的应力集 中和残余拉应 力则 与构件 的 结 束 语 构造细节和焊缝位置 、 施工工艺等有关 。在设计时应避免焊缝过于 随着经济 的发展和技术 的进步 ，钢结构 的应用会越来越广 泛 ， 集中、 构件截面的突然变化 以及在施焊时会产生严重拘束应力 的构 但 同时 由于设计 、 施工 、 使用 以及钢材质量等方 面的原 因 ， 使得钢结 造。 构存在着脆性破坏 的隐患 ， 而脆性破坏一旦发生 ， 由于其危 险性 大 、 １ ． ３材 料 无补救措施 ， 损失会很惨重 ， 本文通过对脆性破坏 的影 响因素 、 防止 与脆性 断裂有关的因素还有材料 的韧性 。 而影响材料韧性 的因 措施 以及工程实例的简要 分析 ， 旨在引起工程界对钢结构脆性破坏 素主要 有 ： 化学成分 、 冶炼方法 、 浇铸方式 、 轧钢工艺 、 焊接 工艺 以及 的重视 ， 从 而能更好 的避免更大事故的发生 。 钢板厚 度 、 应力状态 、 工作温度 、 加荷速率等 。如厚钢板 的韧性低 于 参考 文献 薄钢板 ， 一个原 因是轧制过 程造 成 内部组织 的差别 ， 另一个原 因是 ［ １ 】 王元清． 钢结构脆性破坏事故分析［ Ｊ １ ． 工业建筑 ， １ ９ ９ ８ ， ２ ８ （ ５ ） ． 应力集 中下 ， 厚板接近 于平 面应变受力状态 ， 较薄板 的平 面应力状 ［ ２ ］ 苏益 声， 许安邦 ， 陈宗平． 钢结构脆性破坏 浅析『 Ｊ １ ． 广西 大学学报 ， 态更为不利 。另外工作温度。随着温度的下降 ， 冲击 韧性 也不 断下 ２ ０ ０ ３ 。 ２ ８ （ ３ ） ． 降， 当温度下降到一定程度后 ， 材料 出现脆性破坏 ， 冲击韧性 降得很 【 ３ ］ 沈祖 炎， 陈 扬骥 ， 陈 以一 ． 钢 结 构 基本 原 理 ［ Ｍ】 ． 北京 ： 中 国 建 筑 工 业 低， 且 基本为一常量 。 因此当工作温度很低时 ， 所采用 的材料的 冲击 出 版 社 ． ２ ０ ０ ５ ． 韧性不应低于脆性破坏范 围。 Ｉ ４ 】 马德 志， 高良， 戴为志． 国家体育场“ 鸟巢” 钢结构焊接 工程 “ 合拢 ” ２防止 钢 材 脆 性 断 裂 的措 施 技 术『 Ｊ １ ． 全 国铜结构学术年会论 文集， ２ ０ １ ０ ， １ ０ ． ａ ． 加 强施焊工 艺管理 ， 避免施 焊过程 中产生裂 纹 、 夹渣 和气泡
冲击力对材料的影响与抗冲击性能分析
冲击力对材料的影响与抗冲击性能分析引言：冲击力是指物体在受到外力作用下发生的瞬时变形或破坏的力量。
材料在受到冲击力的作用下，其性能和表现会发生明显的变化。
本文将探讨冲击力对材料的影响，并分析材料的抗冲击性能。
一、冲击力对材料的影响1. 形变和破坏：冲击力作用下，材料会发生形变和破坏。
当冲击力超过材料的强度极限时，材料可能会发生塑性变形或断裂。
不同材料对冲击力的响应不同，如金属材料通常具有较高的抗冲击性能，而脆性材料则容易发生破裂。
2. 动态应力：冲击力是一种瞬时的动态应力，与静态应力相比，其作用方式和效果不同。
冲击力的瞬时性使得材料无法充分适应，容易引起应力集中和局部破坏。
因此，对于材料的抗冲击性能来说，动态应力的影响是不可忽视的。
3. 能量传递：冲击力将能量传递给材料，引起材料内部的应变和破坏。
能量传递的方式取决于冲击力的特性和材料的性质。
例如，高速冲击力会产生冲击波，通过波动传递能量，对材料造成更大的影响。
二、抗冲击性能的评估方法1. 冲击试验：冲击试验是评估材料抗冲击性能的常用方法之一。
常见的冲击试验包括冲击强度试验、冲击韧性试验等。
通过对材料在不同冲击力下的响应进行测试和分析，可以评估其抗冲击性能。
2. 数值模拟：数值模拟是一种较为经济和有效的评估抗冲击性能的方法。
通过建立材料的有限元模型，模拟冲击力的作用过程，可以预测材料的形变和破坏情况。
数值模拟可以帮助优化材料的设计和改进抗冲击性能。
三、提高材料的抗冲击性能的方法1. 材料选择：不同材料具有不同的抗冲击性能。
在实际应用中，根据具体的需求和场景选择合适的材料非常重要。
例如，在汽车制造中，选择高强度的钢材或复合材料可以提高车辆的抗冲击性能。
2. 结构设计：材料的抗冲击性能与结构设计密切相关。
通过合理的结构设计，可以减轻冲击力对材料的影响。
例如，在建筑设计中，采用减震结构可以降低地震冲击力对建筑物的破坏。
3. 表面处理：通过表面处理可以改善材料的抗冲击性能。
《冲击荷载下钢筋混凝土粘结滑移行为研究》范文
《冲击荷载下钢筋混凝土粘结滑移行为研究》篇一一、引言在建筑工程中，钢筋混凝土结构因其优良的力学性能和耐久性被广泛应用。
然而，在实际使用过程中，结构常常会受到各种荷载的作用，其中冲击荷载是一种常见的荷载形式。
冲击荷载作用下，钢筋与混凝土之间的粘结滑移行为对结构的力学性能和耐久性有着重要影响。
因此，研究冲击荷载下钢筋混凝土粘结滑移行为对于提高结构的安全性和耐久性具有重要意义。
二、文献综述过去的研究表明，钢筋与混凝土之间的粘结滑移行为受多种因素影响，如钢筋的表面形状、混凝土的强度、荷载的作用时间等。
在静载作用下，钢筋与混凝土之间的粘结滑移行为已得到了广泛的研究。
然而，对于冲击荷载下的粘结滑移行为，研究尚不够充分。
近年来，随着实验技术和数值模拟方法的不断发展，对冲击荷载下钢筋混凝土粘结滑移行为的研究逐渐成为研究的热点。
三、研究内容（一）实验设计为了研究冲击荷载下钢筋混凝土粘结滑移行为，我们设计了一系列实验。
实验采用不同直径的钢筋、不同强度的混凝土，以及不同的冲击速度。
实验中，通过传感器记录钢筋和混凝土之间的相对位移和力的大小。
（二）实验结果实验结果表明，在冲击荷载作用下，钢筋与混凝土之间的粘结滑移行为与静载作用下的行为有所不同。
随着冲击速度的增加，钢筋与混凝土之间的粘结力逐渐减小，滑移量逐渐增大。
此外，钢筋的直径和混凝土的强度也会影响粘结滑移行为。
（三）理论分析为了解释实验结果，我们采用了能量原理和损伤力学理论进行分析。
在冲击荷载作用下，能量以动量的形式传递到钢筋和混凝土之间，导致它们之间的粘结力发生变化。
同时，由于混凝土的脆性性质，在受到冲击时容易发生损伤，导致粘结力的进一步降低。
四、数值模拟为了更深入地研究冲击荷载下钢筋混凝土粘结滑移行为，我们采用了有限元方法进行数值模拟。
通过建立三维模型，模拟了不同冲击速度、不同钢筋直径和不同混凝土强度下的粘结滑移行为。
数值模拟结果与实验结果基本一致，验证了我们的理论分析。
冲击试验的若干问题分析
冲击试验的若干问题分析胡荣首钢迁钢公司，河北迁安（064404）E-mail：qghr@摘要：冲击试验是材料性能不可缺少的检验项目。
冲击功能够直观反应材料的冲击韧性，而夏比冲击能与温度的关系图可以确定测试钢种的韧性向脆性转变的温度。
由于冲击试验数据容易分散，在试验的过程中，冲击试验设备、试样加工及试验过程中的问题会影响试验数据的分散。
本文将从这三个方面对冲击试验中若干问题进行简单分析。
关键词：冲击试验，试验设备，试样，试验，问题，分析冲击试验是材料性能不可缺少的检验项目。
目前各国常用的试样为夏比V型缺口冲击试样。
冲击的试验原理，自冲击试验机问世以来就一直按能量守恒定律进行设计制造冲击试验机，按摆锤打断试样后势能损失多少计算冲击功。
目前，我国常用的冲击试验标准是GB/T229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》。
由于冲击过程持续时间很短，所以在服役中的构件往往会发生无预兆的突然断裂，而造成重大事故，因而研究材料在冲击载荷作用下的力学性能具有重要的现实意义。
冲击试验对材料的组织缺陷很敏感，它能灵敏地反映出材料的宏观缺陷和显微组织的微小变化，因而冲击试验在材料生产上成为用来检验冶炼、热处理及热加工工艺质量的有效方法之一。
又由于冲击试验加工简单，试验时间短，所以得以广泛应用。
在工厂做冲击试验的过程中，经常会碰到试验设备、试样加工及试验过程的问题而影响试验结果。
本文将在冲击试验过程中碰到的问题作一简单分析。
1. 试验设备1.1 冲击试验对试验机砧座和支座的要求1.1.1 支座的两个支撑面应平行，且相差不应超过0.05mm。
支座应使试样的轴线与摆锤轴线的平行度在3/1000以内。
1.1.2 砧座两个支撑面应平行，且相差不应超过0.05mm。
支座两个支撑面所在平面和砧座两个支撑面所在平面之间的夹角应为90±0.1°。
1.1.3 砧座曲率半径1mm。
曲率圆弧应与支撑面平面相切。
1.1.4 砧座之间跨距为40+0.2。
脆性材料SHPB实验技术的研究
第22卷 第11期岩石力学与工程学报 22(11)：1798～18022003年11月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov .，20032003年3月31日收到初稿，2003年6月27日收到修改稿。
作者 王鲁明 简介：男，41岁，1983年毕业于南京工学院(现东南大学)力学专业，现为中国矿业大学博士研究生、工程兵指挥学院副教授、总参合肥创新工作站首批进站专家，主要从事岩体力学实验和数值模拟方面的研究，同时从事工程力学的教学工作。
E-mail ：CJ_WLM62@ 。
脆性材料SHPB 实验技术的研究王鲁明1，2，3赵 坚1，4华安增1 赵晓豹4(1中国矿业大学建筑工程学院 徐州 221008) (2工程兵指挥学院基础部力学教研室 徐州 221004) (3总参合肥创新工作站 合肥 230037) (4南洋理工大学土木及环境工程学院 639798 新加坡)摘要 用SHPB 装置研究脆性材料(硬岩、混凝土、高强度砂浆、陶瓷等)及脆性材料组构的非均一材料高应变率下的动力特性。
在实验技术方面取得进展，简要研讨了万向头、波形整形器、异形炮弹、软性介质、节理试样与结构性试样等问题。
关键词 材料科学，冲击动力学，SHPB ，实验技术，脆性材料，进展分类号 TU 502，O 347.1 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2003)11-1798-05RESEARCH ON SHPB TESTING TECHNIQUE FORBRITTLE MATERIALWang Luming 1，2，3， Zhao Jian 1，4，Hua Anzeng 1，Zhao Xiaobao 4(1Architecture Engineering College ，China University of Mining and Technology ， Xuzhou 221008 China )(2Engineer Command Academy ， Xuzhou 221004 China )(3Hefei Science and Technology Innovation Station of General Staff Headquarters ， Hefei 230037 China ) (4School of Civil and Structural Engineering ，Nanyang Technological University 639798 Singapore )Abstract The dynamic characteristics in higher strain rate of brittle materials ，such as hard rock ，concrete ， mortar and ceramics with high strength ，and the non-homogeneous structural materials consisting of brittle material are researched using SHPB device. The progress is brought about in SHPB testing technique. The problems are discussed briefly of gimbals ，pulse shaper ，non-uniform linear projectile ，soft medium on the impacted end of the input bar ，artificial joint sample and structural material sample.Key words material science ，impact dynamics ，SHPB ，testing technique ，brittle material ，progress1 引 言分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar ——SHPB)，是研究材料在101～104/s 应变率下动态力学性能的主要装置。
材料在冲击荷载下细观变形特征的数值模拟初步研究
材料在冲击荷载下细观变形特征的数值模拟初步研究从细微观层次研究材料的力学和物理行为，是当前固体力学和材料科学的一个重要方向。
本文采用有限元和离散元相结合的方法，开展炸药在冲击载荷下细观响应特征的数值模拟。
对炸药颗粒采用有限元算法，对粘结剂采用离散元算法，炸药颗粒与粘结剂界面接触处采用有限元与离散元算法相结合的方法。
细观尺度的响应计算到热点生成为止，未考虑化学反应。
本文的研究内容主要包括： 1) 对有限元与离散元两种计算方法的特点进行了调研，比较了它们的异同，评估了两种方法相结合模拟材料在冲击载荷下细观响应特征的可能性。
2) 根据两种数值方法各自的特点，提出一种可应用于冲击加载下，适合均匀材料与非均匀材料细观响应特征模拟的有限元与离散元的结合方法，并编制了二维计算程序。
通过两个验证算例，我们可以看出，采用本文所述的结合方法，冲击波不仅可以顺利地通过均匀材料过渡层，而且也可以在非均匀材料中的过渡层面上发生反射和透射现象，模拟结果与理论值较吻合，验证了所用方法的可行性。
3) 通过加入断裂判据，改进和完善了结合方法和计算程序，使过渡层中有限元与离散元之间的变形在超过断裂应变时，发生分离，并模拟了冲击条件下炸药晶体与粘结剂的脱粘以及粘结剂断裂的细观变形现象。
4) 根据有限元与离散元各自计算温升的特点，编写了有限元与离散元相结合的热点生成程序，初步模拟了塑料粘结炸药在冲击载荷下的热点生成现象。
本论文力图对塑料粘结炸药在冲击加载过程中的细观变形特征和热点生成等现象进行数值模拟。
本文的分析在很大程度上仍是定性的，数值模拟结果仅能初步说明冲击过程中炸药细观变形的某些特征。
下一步的工作主要是对炸药的细观响应行为进行定量模拟和描述，并与起爆建立联系。
岩石脆性研究现状
岩石脆性研究现状岩石是地质体中最常见的固体材料之一。
其机械性质在地球科学研究中具有非常重要的作用。
脆性是一种非常重要的机械性质，是指岩石在作用力下的断裂特征。
岩石脆性研究一直是地质力学、岩石力学、地球物理学等学科的热点课题之一。
本文将对岩石脆性研究的现状做一个综述。
岩石脆性的定义脆性是指物质在外力作用下发生断裂，失去连续性的机械性质。
岩石的脆性与其化学、物理、结构等因素有关。
由于岩石性质的差异，其脆性表现也不尽相同。
一般来说，岩石脆性与岩石的成分、结构、晶体界面及存在的缺陷等因素密切相关。
岩石脆性研究的方法包括实验室试验和地质调查两种。
实验室试验主要是在人工条件下，对岩石样品进行外力加载，然后观察其断裂行为。
这种方法可以控制外在因素，使实验结果具有可重复性和可比性。
实验室试验可以通过不同的载荷速度、载荷方式、载荷方向等参数对岩石脆性进行研究。
此外，通过加入一定强度的矿物颗粒、纤维等微观颗粒物，可以模拟出岩石中各种缺陷的分布和取向，从而更加接近现实岩石的情况。
地质调查是指在自然条件下，通过地质野外调查、岩芯取样、地震勘探等手段，来研究岩石在自然地质环境下的脆性特征。
由于自然条件的复杂性，地质调查得到的结果不如实验室试验数据那么可靠和精确，但是它可以针对不同地质环境下岩石脆性特征的差异性进行研究。
岩石脆性的研究通常使用破裂前后的力学性质差异来描述。
常用的岩石脆性指标包括抗拉强度、抗压强度、弹性模量、塑性指数、断裂能等。
其中，抗拉强度是指在拉伸状态下岩石承受的最大均匀载荷；抗压强度是指在压缩状态下岩石承受的最大均匀载荷；弹性模量是指在岩石线弹性阶段内，岩石应变与应力之间的比值；塑性指数是指在岩石破裂时剩余变形能量与总变形能量之间的比值；断裂能是指在岩石破裂时的吸能和释能过程中，岩石的总耗散能。
需要注意的是，不同指标的选取需根据具体的研究对象和研究目的来确定。
岩石脆性受多种因素的共同作用影响，包括以下几个方面：（1）岩石成分：岩石成分对其脆性有着很大的影响。
爆炸与冲击载荷下结构和材料动态响应研究的新进展
文章编号:1001 1455(2001)02 0081 08学术动态爆炸与冲击载荷下结构和材料动态响应研究的新进展王礼立(宁波大学力学和材料科学研究中心,浙江宁波 315211)摘要:对激波与高应变率现象的基础问题及应用国际学术会议(EXPLOMET 2000)和第20届国际理论与应用力学大会(IC TAM 2000)上有关爆炸冲击载荷下结构和材料动态响应的研究论文进行了回顾和综合分析。
分别从应力波、结构的高应变率响应和材料的高应变率响应三个方面就其新进展和新动向作了述评。
关键词:爆炸冲击载荷;动态响应;结构;材料;高应变率中图分类号:O347 文献标识码:D1 引 言激波与高应变率现象的基础问题及应用国际学术会议(EXPLOME T 2000)于2000年6月19日~22日在美国新墨西哥州阿尔伯克基召开。
这是爆炸力学和材料动力学领域每五年召开的权威性国际会议之一。
由于美国几个与先进核武器及常规武器研制密切相关的著名研究机构(如Los Alamos 国家实验室、Sandia 国家实验室、Lawrence Livermore 国家实验室、美国陆军研究实验室、海军水面作战中心等)参与,这一会议就更引人注目。
来自中、英、法、德、俄、日、意、加和以色列等十余国的100多名专家出席了会议,按下列五个大题目共发表论文114篇:冲击与高应变率下的材料问题、激波固化反应和合成(爆炸加工)、弹道和超高速碰撞的材料问题、新应用、建模和模拟。
我国郑哲敏院士(特邀报告)、高举贤研究员和笔者出席了会议。
两个月后,由国际理论与应用力学协会(IUTAM )主办的第20届国际理论与应用力学大会(ICTAM 2000)于8月27日~9月2日在美国依里诺斯州芝加哥召开。
这是国际力学界每四年一次的最高级国际会议。
来自世界各国的代表多达1400余人,创历史之最,反映了当前理论与应用力学研究之广泛和深入。
鉴于经严格审稿筛选后的论文仍多达上千篇,论文按流体力学、固体力学及跨流体 固体力学三大类,分14个专题组平行组织报告进行交流,还组织了六个平行的小型研讨会。
冲击载荷作用下压力容器用金属材料动态断裂行为的研究共3篇
冲击载荷作用下压力容器用金属材料动态断裂行为的研究共3篇冲击载荷作用下压力容器用金属材料动态断裂行为的研究1随着工业技术的不断进步和应用范围的扩大，液压机、压缩机、气体罐等压力容器的使用逐渐增多，如何保证这些压力容器的安全性成为了一个重要的问题。
在压力容器的使用过程中，往往会受到冲击载荷的作用，这时使用的材料的动态断裂行为就成为了研究重点。
本文主要探究在冲击载荷作用下，压力容器使用金属材料的动态断裂行为的研究。
一、冲击载荷对压力容器的影响冲击载荷是指在短时间内对物体施加的突然变化的外力，是所有载荷中作用时间最短、变化最快的载荷。
对于压力容器来说，冲击载荷作用下会对其产生以下影响：1.造成表面形貌变化冲击载荷作用下，压力容器表面会产生多孔、凸起等形貌变化，这些形貌变化会直接影响材料的疲劳寿命和强度。
2.损伤其结构性能冲击载荷作用下，压力容器的结构性能会发生一定的改变，比如变形、裂纹、疲劳等，但是短暂的冲击载荷一般不会对其结构性能造成严重的损伤。
3.降低其性能强度冲击载荷作用下，压力容器的材料受到严重的变形和受力，其性能强度降低，甚至可能会导致其瞬间破裂，对人身安全和环境造成极大的危害。
二、金属材料的动态断裂行为动态断裂是指材料在受到瞬间大应力作用下，突然破裂的现象。
金属材料的动态断裂行为主要由以下两个方面影响：1.应力波的影响冲击载荷作用下，材料表面产生应力波，应力波通过材料中的物理结构传递，最终导致材料的破裂。
应力波的传播速度与材料的物理结构有关，在金属材料中，应力波的传播速度很快，所以对于金属材料的动态断裂行为影响较大。
2.应力集中的影响当冲击载荷作用在金属材料表面时，由于金属材料的本身结构和形状，会导致部分区域应力集中，这些应力集中会加剧材料的变形和破裂。
三、解决方案针对金属材料在冲击载荷下的动态断裂行为，应采取以下方案：1.选择合适的金属材料在使用金属材料的过程中，应根据其受力情况和要求选择适当的材料。
冲击荷载作用下脆性孔洞材料崩塌数值模拟分析
・956・
岩石力学与工程学报
2005
文[2，3]先后提出了准静态无率效应的模型。文[2，4] 给出了准静态率相关的模型。文[1，2，5]对线性粘 性材料的动态孔洞崩塌模型进行研究，得到了大量 有益的结论。 以上研究主要针对延性材料，而对于岩石、混 凝土类脆性孔洞材料而言，由于孔洞材料崩塌过程 中，体积不可压缩的假定不再适用，Carrol-Holt 模 型分析的优势已不存在，在理论上造成了很大的困 难。文[6～10]对冲击荷载作用下的脆性材料中的孔 洞、裂纹进行细观动力学的二维离散元方法(DEM2) 模拟分析，发现了一些新的现象，为脆性孔洞材料 的冲击响应分析提供了新的途径。由于详细调查岩 石类材料的孔洞特性比较困难，因此，本文将在 文 [6～10]工作的基础上对岩石混凝土类脆性孔洞 材料崩塌行为进行初步模拟分析。
第 24 卷 第 6 期 2005 年 3 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.24 No.6 March，2005
冲击荷载作用下脆性孔洞材料崩塌数值模拟分析
徐松林 1，郭庆海 2，唐志平 1，胥建龙 1
(1. 中国科学技术大学 中国科学院材料力学行为与设计重点实验室，安徽 合肥 230027；2. 郑州大学 环境与水利学院，河南 郑州 450002)
《冲击载荷下梯度多孔金属力学行为研究》范文
《冲击载荷下梯度多孔金属力学行为研究》篇一一、引言随着现代工业和科技的发展，梯度多孔金属作为一种新型材料，因其独特的物理和力学性能，在众多领域中得到了广泛的应用。
在承受冲击载荷的条件下，梯度多孔金属的力学行为表现尤为关键。
本文旨在研究冲击载荷下梯度多孔金属的力学行为，分析其变形、破坏及能量吸收等特性，为该类材料在实际应用中的性能优化提供理论依据。
二、梯度多孔金属概述梯度多孔金属是一种具有特殊结构的金属材料，其内部结构呈现出明显的梯度变化。
这种结构使得梯度多孔金属具有轻质、高比强度、良好的能量吸收性能等特点，因此在航空航天、汽车制造、生物医疗等领域有着广泛的应用前景。
三、冲击载荷下梯度多孔金属的力学行为在冲击载荷作用下，梯度多孔金属的力学行为表现为一种复杂的动态响应过程。
其变形、破坏及能量吸收等特性受到多种因素的影响，如材料组成、结构梯度、冲击速度等。
首先，在冲击载荷作用下，梯度多孔金属会发生弹性变形和塑性变形。
其弹性变形阶段，材料表现出较好的可逆性；进入塑性变形阶段后，材料开始发生不可逆的形变。
在这一过程中，材料的应力-应变关系、能量吸收能力等力学性能参数均会发生明显的变化。
其次，梯度多孔金属在冲击载荷下的破坏行为也是一个重要的研究内容。
由于材料内部结构的梯度变化，其破坏模式可能表现为韧性断裂、脆性断裂或混合断裂。
这些破坏模式对材料的能量吸收能力、耐久性等性能有着重要的影响。
此外，梯度多孔金属的能量吸收能力是其重要的力学性能之一。
在冲击载荷作用下，材料通过塑性变形和断裂等方式吸收能量，从而保护结构免受过大的冲击损伤。
因此，研究梯度多孔金属的能量吸收机制和影响因素对于提高材料的性能具有重要意义。
四、研究方法与实验设计为了研究冲击载荷下梯度多孔金属的力学行为，本文采用实验和数值模拟相结合的方法。
首先，通过设计一系列的冲击实验，观察材料在冲击载荷下的变形、破坏及能量吸收等特性。
其次，利用有限元分析软件对实验过程进行数值模拟，以更深入地了解材料的力学行为和破坏机制。
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脆性材料在冲击荷载下的力学行为研究现状xx理工大学的xx等在2015年5月研究了表面热冲击下脆性材料半空间不同方位裂纹的临界长度，他们认为：结构承受热冲击时，温度非均匀性会导致结构产生热应力，从而引起裂纹的萌生和扩展。
该文研究脉冲激光作用下的含单裂纹脆性材料半空间温度场和应力场。
基于Fourier(傅里叶)热传导和热-力耦合原理，建立瞬态热传导方程和平衡方程;采用ANSYS 软件实现温度场和应力场三维问题的有限元数值模拟;分析不同裂纹在不同位置对热应力场的影响，从而得到裂尖应力强度因子;依据材料临界应力强度因子，通过有限元计算得出不同方位热冲击下裂纹扩展的临界长度。
计算结果表明，脆性材料在受到Gauss(高斯)分布激光的辐照时，裂纹长比激光半径为0．12时，裂纹较为危险，且在r /r0=0．2处且与径向夹角为60°的裂纹更为危险，而且材料的断裂应属于剪切型断裂。
这些结果可以为承受热冲击结构中的危险裂纹标定提供理论依据。
xx交通大学的xx征等在2014年4月研究了不同加载条件下泡沫杆的冲击动力响应，他们认为：基于一维非线性质量弹簧模型，研究了不同冲击加载条件下泡沫材料杆的冲击动力响应特性．在保证初始冲量相同的条件下，对比讨论了矩形载荷、正弦载荷、三角形载荷和倒三角载荷作用下泡沫杆内弹塑性应力波的传播过程，以及杆的动态变形特征．给出了不同载荷作用下的冲击应力增强因子和临界冲量．研究结果确定了不同冲击加载条件下泡沫材料的动力响应特征，对不同工况下泡沫结构的动力学性能设计具有重要的理论指导意义．重庆大学的xx等在2011年11月对冲击压缩下氧化铝陶瓷中的延迟破坏进行了实验研究，他们认为：利用轻气炮对不同厚度的氧化铝陶瓷试件进行了平板冲击实验，并借助激光速度干涉仪（ＶＩＳＡＲ）测试了试件的自由面速度历程。
实验结果显示，自由面速度曲线上存在表征破坏波出现的二次压缩信号。
根据实验结果计算获得了破坏波穿过试件的运动进程，并确定了试件中破坏波的运动轨迹近似为一条直线，得出在冲击压力为７．１６ＧＰａ时试件内破坏波波速约为５．０５１ｋｍ／ｓ，破坏延迟时间约为０．１０５μｓ。
最后简单分析了该现象产生的物理机制。
中南大学的xx等在2011年11月对冲击载荷下脆性岩板损伤断裂演化的实验模拟进行了研究，他们认为：在矿山运输系统中，井壁围岩冲击损伤破坏对经济和安全效益的影响是至关重要的，因为动态冲击载荷对井壁围岩和支护结构会产生严重的削弱破坏作用，室内研究表明，岩石样品如岩板在动态载荷的冲击作用下会失效。
为研究在低速冲击载荷作用下，脆性岩石损伤断裂的演化过程，利用分离式霍普金森压杆( SHPB)装置中压缩气体发射球体子弹对脆性岩板进行变角度冲击损伤实验，岩板受到冲击后，边缘出现凹坑，表面裂纹从撞击凹坑直达岩板边缘，实验中样品的表面裂纹能有效代表试样内部的开裂状况，能有效反映冲击能量的耗散、破裂区面积与裂纹表面积随入射能量呈非线性增长趋势，同时与入射角度相关，但当破裂区面积急剧下降时，裂纹表面积反而急剧上升，表明裂纹的发生发展有明显的孕育期，在入射能量达到临界值前，主要表现为裂纹孕育增长，在达到临界值后，发生宏观断裂破坏，裂纹面积呈负增长，破裂区面积增大。
实验结果分析表明在实际工程中，围岩和支护结构的抗冲击的最优化设计角度范围在15°～30°。
北京理工大学的xx等在2010年4月对冲击载荷作用下脆性材料的失效波进行了实验研究，他们认为：为研究玻璃、陶瓷等脆性材料在冲击加载条件下的失效波问题,在一维应变条件下,采用VISAR测量了不同冲击载荷作用下A95氧化铝陶瓷和sodalime玻璃试件背面的粒子速度时间历程。
结果显示:采用相同的实验方法, sodalime玻璃试件背面粒子速度时间曲线出现了表征失效波现象的再压缩信号,而氧化铝陶瓷试件无此现象出现。
这表明陶瓷与玻璃虽同为脆性材料,但是其破坏机制不尽相同,需要进一步开展研究。
中南大学的xx等在2011年6月对冲击载荷作用下硬岩层裂破坏的理论和试验进行了研究，他们认为：理论分析半正弦冲击入射加载波形下的层裂破坏特性，推导产生层裂破坏的位置和层裂厚度。
利用改进的霍普金森压杆装置产生的半正弦波形对花岗岩试件进行层裂破坏试验。
采用高速摄像仪记录试件层裂破坏的全过程。
试验结果表明：岩石试件在半正弦入射加载波形情况下，首先如理论推导结果一样只产生了一层层裂破坏，但是随着时间的推移，岩石试件后续又产生了多层层裂；高速摄影仪和动态应变仪所采集到的分析结果均表明后续产生的层裂是由于入射加载过程中已经对岩石试件产生了损伤，以致在很弱的残余反射波作用下继续产生破坏而出现多层层裂。
因此，研究岩石等脆性材料的层裂破坏规律，不但要根据最大拉应力瞬间断裂准则分析入射加载波和反射卸载波相互作用所产生的破坏效应，而且要考虑损伤对材料的影响。
理论分析和试验方法对研究岩石的层裂破坏及其他相关特性具有一定的指导意义。
大连大学的xx等在2011年10月对冲击载荷作用下准脆性材料II 型裂纹扩展进行了研究，他们认为：冲击载荷作用下准脆性材料的动态断裂一直是关注的热点问题，Ⅱ型裂纹试样受冲击剪切时其裂纹扩展方向同材料力学性质和冲击速度等密切相关。
应用岩石动态破裂过程动态分析系统软件，对单边平行双裂缝试样开展了冲击载荷作用下的裂纹动态扩展数值模拟，分别研究了不同材料力学性质、材料均质度、入射应力脉冲幅值和历时对II 型裂纹动态扩展的影响。
数值模拟结果表明，纯II 型裂纹在动荷载作用下的扩展，不仅受到剪切损伤，而且还存在拉伸损伤；准脆性材料的非均匀性导致了主裂缝周围产生大量微裂纹的破坏，影响裂缝的分岔和内部的应力值；应力幅值和应力脉冲历时分别超过某一定值时，主裂缝将出现分叉现象，试样的破坏程度加剧，其研究结果对于深入揭示准脆性材料在动荷载作用下II 型裂纹扩展的规律及准脆性材料的损伤断裂机制具有重要的参考价值。
中国农业大学的xxxx等在2011年10月对冲击载荷作用下准脆性连续体破裂问题进行了研究，他们认为：在连续体动力问题中心差分算法的基础上，引进准脆性材料的破坏准则，节点单元的破裂算法、离散子块的接触搜索及接触力计算等，对准脆性连续体在冲击载荷作用下的破裂破坏问题进行数值模拟．通过数值算例，给出结构在冲击载荷作用下裂纹产生和扩展的模拟结果图，初步验证程序的正确性和可应用性，为模拟连续体转变为非连续体这一复杂物理过程提出新方法和新思路．大连理工大学的xx等在2013年6月对冲击作用下的压头破岩机制进行了研究，他们认为：与静态岩石破碎过程相比，冲击作用下岩石的应力改变具有时间效应，应力波传播过程中表现出压、拉变化。
基于损伤演化原理和有限元数值模拟方法，针对冲击荷载作用下的压头破岩机制进行了模拟分析。
为排除边界上反射波的影响，黏弹性边界被纳入计算中。
首先论证了黏弹性边界在均质和非均质介质中的计算精度，然后分析了冲击作用下不同均质度的岩石以及砂砾岩的响应规律，结果显示：在弹性情况下，压头与岩石接触边缘以及自由面附近是拉应力分布区，接触边缘拉应力最大。
剪应力最高值并不位于接触面附近，而是离接触面有一定距离。
较均质岩石主要呈现拉伸破坏模式，先出现赫兹裂缝，然后是径向裂缝和侧向裂缝，拉应力的产生成为诱发裂缝萌生和扩展的主因。
当岩石均质度较低时，岩石的破坏形式呈现多元化，剪切破坏比重加大，表现为复杂的拉剪破坏模式。
对于砾石粒径较大、含量较多的砂砾岩，砾石和基质的非均匀性不可忽略，冲击下破坏模式以绕粒环行和穿粒破坏为主。
总体说来，对于岩石类准脆性材料，应力波传播过程中产生的拉应力是失稳的诱发和扩展的关键。
四川大学的xx等在2015年6月对脆性材料裂纹动态扩展规律进行了研究，他们为研究脆性材料中动态裂纹的扩展规律，采用PMMA(有机玻璃)作为试件材料，通过钢板冲击试验和拉格朗日与SPH 耦合模拟算法进行研究。
在保持其他条件一致的情况下，通过改变冲击速度和初始裂纹角度进行分组试验，然后完全对应试验的冲击条件和试件状态进行分组模拟，最后对比分析。
结果表明:脆性材料动态裂纹的扩展形态主要是翼型扩展，还有非翼型的次生裂纹出现，翼型裂纹扩展方向竖直向下，次生裂纹扩展方向趋于水平;动态裂纹的扩展长度随冲击速度以指数趋势增长;试件中次生裂纹的出现，很大程度地增加了裂纹扩展长度;翼型裂纹的扩展角度随着初始裂纹角度的增大而减小;拉格朗日与SPH 耦合算法，能够逼真显示动态裂纹中翼型裂纹的扩展形态等。
华南理工大学的李英华等在2011年对脆性材料水泥砂浆多轴应力下的动态响应进行了分析，他们认为：在实际的结构应用中，混凝土类材料一般处于复杂工作应力状态，且可能承受动态荷载的作用。
据此，本文采用Instron3421液压伺服试验机和具有主动围压加压装置的SHPB 研究了混凝土材料－砂浆宽应变率范围多轴应力下的动态力学行为;基于Johnson-Cook 强度模型框架，确定了等效强度模型的率相关参数及其他材料常数;提出了适用于描述主动围压下砂浆受冲击荷载的损伤演化规律，并确定了损伤演化常数，实验数据与理论值吻合较好。
空军工程大学的xx等在2010年4月对大直径SHPB系统角闪岩的冲击动力进行了试验，他们认为：采用大直径分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,在波形整形技术试验的基础上,对不同厚度的圆柱形角闪岩试件在冲击压缩过程中的应力均匀性进行分析,确定了岩石试件的最佳尺寸;对角闪岩在高应变率下的动态力学性能进行试验;分析了其应力应变曲线的力学特性;并从岩石材料微观结构的角度对角闪岩动态抗压强度、破坏形态和能量耗散随应变率的变化规律进行了研究。
结果表明,在较低应变率下,角闪岩试件的动态压缩破坏呈显著的轴向劈裂破坏模式;在较高应变率下,试件破坏呈现压碎破坏模式;角闪岩的比能量吸收值与应变率ε呈线性关系,而动态抗压强度增长因子η(即动态抗压强度)与ε的次方成线性关系。
中国矿业大学(xx)的何xx等在2014年2月对负泊松比效应锚索的力学特性及其在冲击地压防治中的应用进行了研究，他们认为：冲击地压发生强度、危害程度及频次呈急剧增加趋势，现有支护材料无法满足冲击力作用下巷道防护的要求，基于负泊松比材料的特殊力学特性，结合井下巷道冲击大变形控制的需求，研发了具有负泊松比效应新型高恒阻大变形锚索。
采用室内力学实验和现场爆破模拟冲击试验相结合的方法，对新型锚索的防冲力学特性进行了研究，结果表明恒阻锚索能够在静力拉伸作用下产生滑移拉伸变形的同时保持350 kN左右的恒定阻力，多次落锤冲击动力作用下，能够通过保持恒定阻力并产生拉伸变形来吸收冲击能量。
以沈阳红阳三矿1213回风联络巷为工程背景，提出了现场采用爆破形式模拟冲击地压的现场防冲方案，试验表明高恒阻大变形锚索在爆炸冲击力作用下可以产生瞬间滑移变形，从而吸收爆炸产生的冲击能量，并具有保持恒定阻力的特殊力学性能;通过现场对比试验可知，在相同当量爆破冲击能量作用下，普通锚索试验段完全崩垮，恒阻锚索试验段整体稳定，验证了恒阻大变形锚索比普通锚索具有更好的抗冲击力学性能。