冲击载荷下圆环纵向压缩力学行为研究
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。
冲击动荷因数-概述说明以及解释
冲击动荷因数-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述冲击动荷因数是指在结构受到冲击载荷作用时，产生的荷载峰值与平稳载荷的比值。
它是评价结构抗震性能和疲劳强度的重要参数之一。
在工程实践中，我们经常会遇到一些突发性的冲击载荷，比如地震、爆炸、风暴等，这些冲击载荷对结构的破坏性是非常大的。
为了保证结构的安全性和可靠性，我们需要对结构的冲击动荷因数进行研究和评估。
冲击动荷因数的研究对于工程设计和结构分析具有重要的意义。
通过对冲击动荷因数的分析和研究，可以更好地了解结构在承受冲击载荷时的响应性能。
同时，通过对影响冲击动荷因数的因素进行研究，可以为工程设计提供参考和指导，提高结构的安全性和抗震能力。
本文将通过对冲击动荷因数的定义和意义进行详细的介绍，以及对影响冲击动荷因数的因素进行分析和探讨。
最后，将总结冲击动荷因数的研究成果，并展望其在工程实践中的应用前景。
通过本文的阅读，读者将能够对冲击动荷因数有一个更加深入的了解，了解其在工程设计和结构分析中的重要性和应用价值。
同时，读者还可以了解到目前关于冲击动荷因数的研究成果和未来的发展趋势，为相关领域的研究和工程实践提供参考和指导。
文章结构包括引言、正文和结论三个部分。
引言部分是文章的开篇，对研究背景、问题、意义等进行简要介绍。
正文是文章的主体部分，详细论述研究的定义、意义、相关概念和影响因素等内容。
结论部分是对整篇文章进行总结和展望。
在本篇文章中，引言部分已经包括了概述、文章结构和目的。
因此，文章1.2文章结构部分可以简洁地说明正文部分将讨论什么内容，以及该部分的组织结构，如下所示：正文部分将分为两个小节进行论述。
首先，将介绍冲击动荷因数的定义和意义，包括对该概念的解释以及在实际工程中的应用。
接下来，将探讨影响冲击动荷因数的因素，包括环境条件、结构特征、荷载类型等多方面的因素。
通过对这些因素的分析，可以更好地理解和把握冲击动荷因数的变化规律。
这样，读者可以清楚地了解到正文部分的内容和组织结构，为后续的论述打下基础。
含减纱2.5D机织碳
含减纱2.5D 机织碳/环氧复合材料低速冲击损伤机制张典堂，窦宏通，董放，江昊（江南大学生态纺织教育部重点实验室，江苏无锡214122）摘要：针对锥形回转体构件常用的减纱工艺，设计和制备了不含减纱、含半列减纱和含整列减纱2.5D 机织碳/环氧复合材料。
分别设置54J 和72J 的冲击能量，采用落锤冲击仪对3种复合材料开展了低速冲击试验，获取了载荷-时间曲线，并采用Micro-CT 开展了损伤形貌和损伤量化分析。
基于低速冲击损伤“局部”分布特征，建立了一种宏-细观混合有限元模型，开展了3种复合材料的低速冲击数值模拟，并揭示了失效机理。
结果表明：数值模拟的力学响应曲线及损伤形貌与对应试验结果吻合较好；相比于不含减纱试样，在54J 冲击能量下，含半列减纱和整列减纱试样的冲击损伤体积分别增加了21.0%和34.8%；在72J 冲击能量下，含半列减纱和整列减纱试样的冲击损伤体积分别增加了15.7%和24.4%。
可以看出，减纱点的引入明显降低了结构的承载效率。
关键词：减纱；2.5D 机织复合材料；低速冲击；损伤机制；混合模型中图分类号：TB332文献标志码：A 文章编号：员远苑员原园圆源载（圆园23）园6原园园24原09收稿日期：2022-12-04基金项目：国家自然科学基金资助项目（11702115，12072131）通信作者：张典堂（1986—），男，博士，研究员，主要研究方向为先进纺织复合材料制备。
E-mail ：**************************.cnLow-velocity impact damage mechanism of 2.5D woven carbon/epoxycomposites with yarn reductionZHANG Diantang ，DOU Hongtong ，DONG Fang ，JIANG Hao（Key Laboratory of Eco-Textiles Ministry of Education ，Jiangnan University ，Wuxi 214122，Jiangsu Province ，China ）Abstract ：The 2.5D woven carbon/epoxy composites without yarn reduction袁with half rows yarn reduction and with all rowsyarn reduction were designed and prepared for the common yarn reduction process of conical rotating members.The impact energy levels of 54J and 72J were set袁respectively.Low-velocity impact tests were carried out onthree composite materials using a drop hammer impactor袁and load-time curves were obtained.Micro-CT was al鄄so used to carry out the damage morphology and damage quantification analysis.A macro-meso hybrid finite ele鄄ment model is developed based on the 野local冶distribution characteristics of low-velocity impact damage.Numer鄄ical simulations of low-velocity impacts of three composite materials were carried out to reveal the failure mecha鄄nisms.The results show that the mechanical response curves and damage morphology of the numerical simulation are in good agreement with the corresponding experimental results.Meanwhile袁compared with without yarn re鄄duction.At the impact energy of 54J袁the impact damage volume increased by 21.0%and 34.8%for the speci鄄mens with half-row yarn reduction and whole row yarn reduction袁respectively.At the impact energy of 72J袁the impact damage volume increased by 15.7%and 24.4%for the half rows yarn reduction and all rows yarn reduc鄄tion袁respectively.It can be seen that the introduction of the yarn reduction point significantly reduces the load-bearing efficiency of the structure.Key words ：yarn reduction曰2.5D woven composites曰low-velocity impact曰damage mechanism曰hybrid model近年来，随着2.5D 机织预成型技术的日益成熟及机械自动化程度的提高，2.5D 机织复合材料因其细观结构设计性强、力学性能优异和近净成形等优势，愈发广泛地应用于航天发动机喷管、航天天线罩和航空发动机燃烧室火焰筒等锥形回转体部件[1]。
霍普金森杆实验技术简介
霍普金森杆实验技术简介1．材料动态力学性能实验简史在各类工程技术、军事技术和科学研究等广泛领域的一系列实际问题中，甚至就在日常生活中，人们都会遇到各种各样的爆炸/冲击载荷问题，并且可以观察到，物体在爆炸/冲击载荷下的力学响应往往与静载荷下的有显著不同。
了解材料在冲击加载条件下的力学响应必将大大有助于这些材料的工程应用和工程设计。
此外，数值模拟已在工程设计中发挥着重要作用，而进行数值模拟的前提是必须首先建立一个基于材料在各种应变率下（尤其是在动态应变率下）的精确应力－应变曲线基础上的本构模型。
所以，获得一套材料在高应变率下的应力—应变曲线则成为首要任务。
尽管人们已经研制了多种动态实验技术，但是，与准静态实验相比，进行有效并准确的高应变率下的动态实验依然是一个很大的挑战。
因此，为得到有效并准确的材料的应变率相关的应力—应变曲线，研制高效的、精确的高应变率实验装置是非常重要的。
首先，人们知道，固体力学的静力学理论所研究的是处于静力平衡状态下的固体介质，以忽略介质微元体的惯性作用为前提。
这只是在载荷强度随时间不发生显著变化的时候，才是允许和正确的。
而爆炸/冲击裁荷以载荷作用的短历时为其特征，在以毫秒（ms）、微秒（?s）甚至纳秒（ns）计的短暂时间尺度上发生了运动参量（位移、速度、加速度）的显著变化。
在这样的动载荷条件，介质的微元体处于随时间迅速变化着的动态过程中，这是一个动力学问题。
对此必须计及介质微元体的惯性，从而就导致了对应力波传播的研究。
一切固体材料都具有惯性和可变形性，当受到随时间变化着的外载荷的作用时，它的运动过程总是一个应力波传播、反射和相互作用的过程。
在忽略了介质惯性的可变形固体的静力学问题中，只是允许忽略或没有必要去研究这一在达到静力平衡前的应力波的传播和相互作用的过程，而着眼于研究达到应力平衡后的结果而已。
在忽略了介质可变形性的刚体力学问题中，则相当于应力波传播速度趋于无限大，因而不必再予以考虑。
材料力学的研究方法
材料力学的研究方法材料力学是研究材料在外力作用下的变形、破裂和失效行为的科学。
在材料力学的研究中，为了更好地理解材料的性能和行为，使用了多种研究方法。
本文将介绍十种关于材料力学的研究方法，并展开详细描述。
1. 实验方法：实验方法是研究材料力学的常用方法之一。
通过设计和实施一系列力学实验，可以获得材料的力学性能，如强度、刚度和延展性等。
实验方法可以通过应力-应变曲线、断裂断口形貌和剪切强度等参数来评价材料的力学性能。
2. 数值模拟方法：数值模拟方法是一种计算机辅助的研究方法，通过使用有限元分析等数值方法来模拟材料的力学行为。
数值模拟可以实现对复杂材料结构的力学行为进行建模和预测，从而帮助研究人员更好地理解材料的力学性能。
3. 微观力学方法：微观力学方法是通过研究材料的原子结构和晶体结构，揭示材料力学性能的方法。
这种方法可以通过原子尺度的模拟和理论计算来得到材料的力学性质，如弹性常数、断裂韧性和位错运动等。
4. 断裂力学方法：断裂力学研究材料的破裂行为和破裂机制。
通过对材料断裂过程中的应力场和应变场进行建模和分析，可以定量描述材料的断裂行为。
断裂力学方法对于材料的失效分析和工程设计具有重要的意义。
5. 动态力学方法：动态力学研究材料在高速冲击或爆炸载荷下的力学行为。
通过测量材料在高速冲击下的应力和应变，可以得到材料的高速应力应变曲线和冲击响应。
动态力学方法对于评估材料的抗冲击性能和安全性至关重要。
6. 细观力学方法：细观力学研究材料的微观结构对材料力学性能的影响。
通过对材料微观结构的观察和分析，可以揭示材料的晶界、孔隙和夹杂物等缺陷对材料力学性能的影响。
细观力学方法可以指导材料设计和加工工艺的优化。
7. 热力学方法：热力学方法是研究材料力学行为中能量变化和热力学平衡的方法。
通过分析材料在外力作用下的能量转化和热力学平衡，可以理解材料在不同温度和应力下的力学性能。
8. 表征方法：材料力学的表征方法用于定量描述材料的力学性能和行为。
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s (t )
E[ i (t ) r (t 1 ) t (t 2 )] A 2 As [ i (t ) r (t 1 ) t (t 2 )]c s (t ) ls t s ( )d s (t ) 0
鉴于岩石试样在高应变率下达到破坏所需要的时间很短而紫铜作为纯度较高的延性金属在脆性材料如岩石的大直径shpb试验中对入射波形具有较为明显的整形效果本文在入射杆撞击端面中心位置黏贴厚度为2545mm的紫铜t2作为波形整形器见图试验中在射弹的强烈冲击下作为低屈服强度材料的紫铜将发生较大变形从而吸收一部分的能量将原来陡峭的脉冲方波修正成上升过程较为平缓的波形增加了上升沿时保证试件内部在破坏之前有足够的时间达到应力平衡
[1]
2
岩石冲击加载试验系统
2.1 试验系统及数据处理 SHPB 试验技术发展至今已有近 60 a 的历史， 已被广泛应用于岩石 及松散材料
[8，9] [2，3，6]
[2，3]
利用 Hopkinson 压杆技术分别
研究了各种岩石材料的动力特性与破坏模式。李海 波等 也曾进行动态压缩性试验，试验结果表明： 单轴动载荷作用情况下岩样呈锥型破坏模式 ( 劈裂 破坏和试样端部摩擦效应结合)，三轴情况下岩样呈 剪切破坏模式；当应变速率从 10 s 增加到 100 s
，
(1. Department of Airfield and Building Engineering，Air Force Engineering University，Xian，Shaanxi 710038，China； 2. School of Mechanics and Civil Architecture，Northwest Polytechnic University，Xian，Shaanxi 710072，China)
《材料科学与工程综合实验》课程教学大纲(本科)
材料科学与工程综合实验（Comprehensive Experiments of Materials Science and Engineering）课程代码：07410085学分：1学时：32先修课程：材料科学基础，材料科学研究方法，材料测试方法，材料力学性能，材料物理性能适用专业：复合材料工程教材或实验指导书：（选填）一、课程性质与课程目标（一）课程性质本课程针对材料科学与工程大类专业完成本专业的基础课程的理论学习后开设的对应实验课程，旨在为培养学生实际动手操作能力，加深学生对材料科学与工程先导课程中基础理论知识的理解，学会综合运用各种测试方法、表征手段与工具等解决材料科学与工程实际问题的能力。
（二）课程目标（根据课程特点和对毕业要求的贡献，确定课程目标。
应包括知识目标和能力目标。
）课程目标1：掌握材料科学研究所需的各种微观组织表征手段，如X射线衍射仪、光学金相显微镜、扫描电镜、透射电镜等设备用于表征材料的微观结构；课程目标2：掌握材料科学研究所需的各种力学和物理性能测试方法如硬度、拉伸和压缩试验、冲击韧性、摩擦磨损等力学性能测试手段和热膨胀系数、导电性等物理性能测试手段用于获得材料内在的性能参数；课程目标3：掌握利用文字报告、图表等对材料科学与工程领域的实验数据的表达和解析能力。
注：工程类专业通识课程的课程目标应覆盖相应的工程教育认证毕业要求通用标准；（三）课程目标与专业毕业要求指标点的对应关系本课程支撑专业培养计划中毕业要求指标点：1.毕业要求指标点3-2. 能够在社会、环境、法律等现实约束条件下，通过技术经济环境评价对设计方案的可行性进行研究。
2.毕业要求指标点4-4. 能对实验数据或结果进行正确的分析和解释，并通过信息综合归纳总结有效的结论。
注：课程目标与毕业要求指标点对接的单元格中可输入“✓”，也可标注“H、M、L”。
二、本课程开设的实验项目注：1.类型：指验证性、综合性、设计性等；2.要求：指必做、选做。
第三章 金属在冲击载荷作用下的力学性能.
具有面心立方结构的金属材料如Cu、Al等的屈服强
度随温度的降低不发生明显的升高，屈服强度总是
低于断裂强度，所以冷脆倾向不明显。
微观上，体心立方晶体中的位错阻力随温
度降低而增加，故该类材料发生低温脆性，面
心立方金属因位错宽度比较大，位错阻力对温 度变化较不敏感，故一般不显示低温脆性。
体心立方金属的低温脆性还与迟屈服现象有关。 迟屈服即对材料施加一高速载荷到高于σs，材料并 不立即产生屈服，而需要经过一段孕育期(称为迟屈 服时间)才开始塑性变形。在孕育期中只产生弹性变 形，由于没有塑性变形消耗能量，故有利于裂纹的 扩展，从而易表现为脆性破坏。
转变，如体心立方金属及其合金、某些密排六 方金属及其合金，及许多珠光体－铁素体两相 钢。这类材料的屈服强度对温度和应变速率的 变化十分敏感。 高分子材料，如PVC(聚氯乙稀)、ABS(丙烯腈-丁 二烯-苯乙烯)、PS(聚苯乙烯)、LDPE(低密度聚乙 烯)等，也会发生低温脆性。
产生低温脆性的机理
材料低温脆性的产生与其屈服强度和断裂强度随
冲击韧度只是一种混合的韧性指标， 在设计中不能定量使用。
冲击功＝（冲击弹性功＋塑性功＋撕裂 功）＋空气阻力＋机身振动＋轴承与测量 机构的摩擦＋试样的飞出等。
三、冲击韧度的工程意义
表示材料韧度的性能指标共有三个：冲击 韧度（第三章）、断裂韧度（第四章）、静力 韧度（第一章）分别用来评价材料在冲击载 荷、有裂纹的情况下静载荷、静拉伸载荷条件 下材料的韧度。
低温脆性－材料的强度随温度的降低而升高 ，而塑性则相反。从韧性断裂转变为脆性 断裂，冲击吸收功明显下降，断裂机理由 微孔聚集型转变为穿晶解理，断口特征从 纤维状变为结晶状的现象，称为低温脆性
或冷脆。
基于SHPB的混凝土及钢筋混凝土冲击压缩力学行为研究
基于SHPB的混凝土及钢筋混凝土冲击压缩力学行为研究一、本文概述随着现代工程技术的迅速发展，混凝土及钢筋混凝土材料在冲击、爆炸等极端动载荷作用下的力学行为越来越受到关注。
冲击压缩力学行为研究对于保障工程结构在极端环境下的安全性和稳定性具有重要意义。
本文基于分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar，简称SHPB）试验技术，对混凝土及钢筋混凝土在冲击压缩载荷下的力学特性进行了深入的研究。
SHPB试验技术作为一种有效的动态力学测试方法，能够模拟材料在高速冲击下的应力-应变响应，为混凝土及钢筋混凝土冲击压缩力学行为的研究提供了有力的技术支持。
本文首先介绍了SHPB试验技术的基本原理和试验装置，然后详细阐述了混凝土及钢筋混凝土在冲击压缩载荷下的应力波传播特性、应力-应变关系、能量耗散以及损伤演化等方面的研究内容。
通过对比分析不同条件下混凝土及钢筋混凝土的冲击压缩试验结果，本文揭示了材料在冲击载荷作用下的力学特性变化规律，探讨了冲击速度、试件尺寸、配筋率等因素对材料力学行为的影响。
本文还结合数值模拟方法，对冲击压缩过程中材料的破坏模式、应力波传播规律等进行了深入的分析和讨论。
本文总结了混凝土及钢筋混凝土冲击压缩力学行为研究的主要成果和结论，指出了研究中存在的问题和不足，并对未来的研究方向进行了展望。
本文的研究成果不仅有助于深入理解混凝土及钢筋混凝土在冲击压缩载荷下的力学特性，也为相关工程结构的设计和安全评估提供了重要的理论依据和技术支持。
二、冲击压缩试验技术概述冲击压缩试验技术，特别是分离式霍普金森压杆（SHPB）技术，是近年来研究材料在高应变率下动态力学行为的重要手段。
SHPB系统主要由入射杆、透射杆、吸收杆、试件、以及测量装置等组成。
当高压气体驱动入射杆撞击试件时，会在试件中产生冲击压缩效应，同时入射杆和透射杆上的应变片会记录下应变信号，进而计算出试件在冲击过程中的应力-应变关系。
冲击载荷下的动力学响应研究
冲击载荷下的动力学响应研究引言：物理学作为自然科学的一个重要分支，研究着物质的运动、能量转化和相互作用。
其中，动力学是物理学的一个重要分支，研究物体在力的作用下的运动规律。
冲击载荷下的动力学响应研究旨在探究物体在冲击力作用下的运动特性，为一些实际应用提供科学依据。
一、奥本海默定律的应用：奥本海默定律是物理学中一个重要的定律，它描述了冲击力对物体速度和反冲速度的影响。
实验过程如下：1. 实验准备：准备一个光滑的水平直轨道，在其上放置一辆小车。
将一块弹性物体（如弹簧）固定在小车的前端，以产生冲击载荷。
同时，准备一个光电门系统，用于测量小车通过光电门的时间，以获得速度信息。
2. 实验过程：放置小车静止在轨道上，并记录零点位置。
然后，施加冲击载荷到小车上，使其获得一个初始速度。
当小车通过光电门时，记录通过时间。
使用光电门的读数，可以计算小车的速度。
再次记录小车通过光电门的时间，当小车回弹时。
根据奥本海默定律，可以通过实验数据计算出小车的反冲速度。
3. 数据处理：根据光电门的读数，我们可以计算小车通过光电门的时间间隔，从而得到小车的速度。
此外，再次通过光电门的时间间隔可以得到小车的反冲速度。
将这些数据整理并进行统计分析，可以得到冲击载荷下的小车动力学响应的一些关键参数。
二、关于牛顿第二定律的应用：牛顿第二定律在冲击载荷下的动力学响应研究中有着广泛的应用。
牛顿第二定律描述了质量与加速度之间的关系。
实验过程如下：1. 实验准备：设置一个平滑的斜轨道，将一块质量为m的物体放置在顶部，以产生冲击载荷。
同时，准备一个测力计和一个计时器，用于测量物体受力和计算加速度。
2. 实验过程：让物体在斜轨道上运动，通过记录物体下滑所用的时间来计算加速度。
同时，测量质量的受力，从而计算加速度。
根据牛顿第二定律，一个物体的加速度与作用在它上面的合力成正比，与质量成反比。
因此，通过实验数据可以得到物体在冲击载荷下的动力学响应情况。
3. 数据处理：将实验数据整理并进行统计分析，可以得到物体的加速度与施加的冲击力之间的关系。
冲击载荷下橡胶的力学性能研究
收稿日期：２０１９－０５－２４作者简介：汪兵兵（１９８９ ），男，硕士，工程师，研究方向为汽车转向系统ＣＡＥ仿真分析㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｂｉｎｇｃｏ１９８９＠１６３ ｃｏｍ㊂ＤＯＩ：１０ １９４６６／ｊ ｃｎｋｉ １６７４－１９８６ ２０１９ １１ ０１５冲击载荷下橡胶的力学性能研究汪兵兵，胡桃华（博世华域转向系统有限公司，上海２０１８２１）摘要：对半圆形橡胶垫进行准静态试验，基于一阶Ｏｇｄｅｎ模型拟合准静态橡胶参数㊂对橡胶试件进行５个应变率下的单轴压缩试验，通过插值拟合编写考虑不同应变率橡胶材料参数的子程序㊂使用准静态橡胶参数和考虑不同应变率下橡胶参数分别对转向管柱进行落锤冲击仿真分析㊂结果表明：不同应变率下，橡胶参数能够准确地表现出橡胶材料在受到冲击载荷下的力学性能㊂关键词：橡胶；不同应变率；参数拟合；落锤冲击中图分类号：Ｕ４６５ ４＋２㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀文章编号：１６７４－１９８６（２０１９）１１－０５９－０４ＳｔｕｄｙｏｎＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＲｕｂｂｅｒｕｎｄｅｒＩｍｐａｃｔＬｏａｄＷＡＮＧＢｉｎｇｂｉｎｇ，ＨＵＴａｏｈｕａ（ＢｏｓｃｈＨｕａｙｕＳｔｅｅｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍｓＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１８２１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｑｕａｓｉ⁃ｓｔａｔｉｃｔｅｓｔｏｆｓｅｍｉｃｉｒｃｕｌａｒｒｕｂｂｅｒｐａｄｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ，ａｎｄｔｈｅｑｕａｓｉ⁃ｓｔａｔｉｃｒｕｂｂｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅｆｉｔｔｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｉｒｓｔ⁃ｏｒｄｅｒＯｇｄｅｎｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅｕｎｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｔｅｓｔｓｏｆｒｕｂｂｅｒｓｐｅｃｉｍｅｎｓａｔｆｉｖｅｓｔｒａｉｎｒａｔｅｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ，ａｎｄｔｈｅｓｕｂｐｒｏｇｒａｍｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｒｕｂｂｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒａｉｎｒａｔｅｓｗａｓｃｏｍｐｉｌｅｄｂｙｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｆｉｔｔｉｎｇ．Ｔｈｅｑｕａｓｉ⁃ｓｔａｔｉｃｒｕｂｂｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｔｈｅｒｕｂｂｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒａｉｎｒａｔｅｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｄｒｏｐｍａｓｓｃｏｌｌｉｓｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｅｅｒｉｎｇｃｏｌｕｍｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｒｕｂｂｅｒｍａｔｅｒｉａｌｕｎｄｅｒｔｈｅｉｍｐａｃｔｌｏａｄｃａｎｂｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｒｕｂｂｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒａｉｎｒａｔｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｒｕｂｂｅｒ；Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒａｉｎｒａｔｅｓ；Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｉｔｔｉｎｇ；Ｄｒｏｐｍａｓｓｃｏｌｌｉｓｉｏｎ０㊀引言橡胶材料具备减震㊁吸能㊁抗冲击的能力，已广泛应用于汽车碰撞安全领域㊂汽车发生碰撞时，转向管柱能够通过溃缩㊁变形吸收能量，避免或减轻对驾驶员的伤害㊂我国标准ＧＢ１１５５７－２０１１明确规定了汽车转向机构在正面碰撞过程中对驾驶员伤害方面的技术要求和试验方法［１］㊂整车厂为了让转向机构零部件企业在没有方向盘条件下也能快速高效地评估转向机构的性能，采用落锤冲击试验等效ＧＢ１１５５７－２０１１的试验方法㊂该试验要求为４０ ５０ｋｇ的重物从０ ８ １ｍ高处自由落体撞击整车厂规定安装角度的转向管柱，转向轴轴端处安装一个橡胶缓冲垫，等效方向盘的冲击吸能作用㊂目前，对于橡胶材料的研究一般基于准静态载荷或者超高应变率冲击载荷㊂魏志刚等［２］通过材料力学性能试验和参数拟合方法确定了用于有限元仿真的橡胶衬套的材料模型参数㊂丁超［３］基于含超弹性㊁黏弹性及摩擦模型的橡胶衬套力学模型，提出了橡胶衬套径向－扭转耦合分析的数值计算方案㊂ＳＯＮＧ等［４］修正了准静态下橡胶材料的应变能本构关系，提出了与ＥＰＤＭ橡胶材料的高应变率相关的数学模型㊂周相荣等［５］提出了一种基于Ｙｅｏｈ函数的描述橡胶材料中高应变率效应的黏超弹本构模型㊂林玉亮等［６］通过引入延迟函数，建立了考虑应变率效应的Ｏｇｄｅｎ模型，描述了硅橡胶在高应变率下压缩的力学行为㊂庞宝君等［７］基于Ｒｉｖｉｌｉｎ应变能模型，构建了考虑高应变率相关的硅橡胶动态本构模型㊂根据转向管柱落锤冲击试验条件，橡胶材料只受到低于应变率５００／ｓ冲击载荷作用㊂本文作者研究橡胶材料在受到准静态加载和低于应变率５００／ｓ的动态冲击载荷下，橡胶材料参数对转向管柱碰撞力学性能的影响㊂基于橡胶材料不可压缩假设，拟合出橡胶材料准静态和应变率为０ １㊁１㊁１０㊁１００㊁５００／ｓ条件下的力学参数，对转向管柱进行落锤冲击仿真分析，比较仿真结果与试验结果，验证橡胶参数的准确性和有效性㊂１㊀准静态压缩和动态压缩试验橡胶材料具有复杂的力学性能，一般采用超弹性应变能函数来描述其力学性能，为了确定应变能函数中的常数，需要进行单轴拉伸／压缩㊁等双轴试验和平面剪切试验［２］㊂本文作者考虑到橡胶受冲击载荷工况，只对橡胶材料进行单轴压缩试验㊂单轴压缩试验分为准静态压缩试验和５种应变率下的动态压缩试验㊂文中所有试验试件都是基于国标ＧＢ／Ｔ５２８－２００９和企业技术要求制备的，实验室的环境是恒温恒湿的㊂１ １㊀准静态压缩试验按照企业技术要求制备试件并进行试验，如图１所示㊂试件为直径８０ｍｍ㊁厚２０ｍｍ半圆形橡胶垫，试件材料为肖氏７０橡胶㊂将试件放在直径为４０ｍｍ的半圆形刚性工装上，使用压力机以１０ｍｍ／ｍｉｎ的速度加载至橡胶达到规定压缩量为止㊂橡胶材料准静态力和位移曲线如图２所示㊂试验结果表明：该橡胶材料参数可以满足企业技术要求㊂㊀㊀㊀图１㊀半圆形橡胶㊀㊀㊀㊀㊀㊀图２㊀半圆形橡胶准静准静态试验态力和位移曲线１ ２㊀不同应变率下的动态压缩试验文中橡胶动态压缩试验是在清华大学苏州汽车研究院（相城）进行的㊂橡胶材料在落锤冲击作用下的应变率是未知的，根据重物跌落高度计算得到重物接触橡胶时的冲击速度为４ ４ｍ／ｓ，因此橡胶材料应变率不会超过４４０／ｓ㊂本文作者选用５个应变率进行橡胶动态压缩试验，５个应变率分别为０ １㊁１㊁１０㊁１００㊁５００／ｓ㊂采用ＺｗｉｃｋＨＴＭ５０２０型高速拉伸试验机测试０ １㊁１㊁１０㊁１００／ｓ应变率下的橡胶力学参数，如图３所示㊂采用大落锤ＬＣ３６⁃２２５ｈ６６００型试验机测试５００／ｓ应变率下橡胶力学参数，如图４所示㊂试验方法：按照国标ＧＢ／Ｔ５２８－２００９制备５组样件，每组３个样件，应变率为０ １㊁１㊁１０／ｓ的样件尺寸为１０ｍｍˑ１０ｍｍˑ１０ｍｍ，应变率为５００／ｓ的样件尺寸为１５ｍｍˑ１５ｍｍˑ１５ｍｍ㊂每个样件用荧光油漆编号，如图５所示，第１个样件为试验前状态，后３个为试验后状态㊂采用高速摄像机拍摄全过程㊂每个应变率下对应的力和位移曲线，如图６ 图１０所示㊂㊀图３㊀前４种应变率样㊀㊀㊀㊀㊀图４㊀应变率５００／ｓ样件动态压缩试验件动态压缩试验图５㊀试验前后橡胶试件㊀㊀图６㊀应变率为０ １／ｓ的㊀㊀㊀㊀图７㊀应变率为１／ｓ的力和位移曲线力和位移曲线㊀㊀㊀图８㊀应变率为１０／ｓ的㊀㊀㊀㊀图９㊀应变率为１００／ｓ的力和位移曲线力和位移曲线图１０㊀应变率为５００／ｓ的力和位移曲线数据表明，橡胶材料是高度非线性的，应变率越高，橡胶压缩量越小，橡胶的硬化现象越明显㊂由于样件之间存在差异，需要对数据进行处理，其中应变率１００／ｓ的３号样件和５００／ｓ的２号样件存在明显差异，该数据不能用于拟合橡胶材料参数㊂２ 橡胶动静态材料参数的确定２ １㊀静态材料参数拟合将准静态压缩试验力和位移数据处理成材料的应力－应变曲线㊂通过Ａｂａｑｕｓ软件将材料的应力－应变曲线采用超弹性模型进行参数拟合㊂本文作者采用一阶的Ｏｇｄｅｎ模型进行参数拟合㊂假设橡胶为不压缩材料，材料泊松比定义为０ ４９５㊂一阶Ｏｇｄｅｎ模型［８］为Ｕ＝２μα（λ－３）＋１Ｄ（Ｊｅｌ－１）２（１）式中：λ㊁α㊁Ｄ为材料参数；λ＝Ｊ－１／３λ，λ为主伸长率；Ｊｅｌ为弹性雅克比行列式㊂橡胶材料一阶Ｏｇｄｅｎ模型参数如表１所示㊂通过Ａｂａｑｕｓ软件计算得到的试验应力－应变曲线与仿真计算得到的应力－应变曲线非常吻合，如图１１所示㊂数据表明，文中橡胶静压参数一阶Ｏｇｄｅｎ模型是有效的㊂表１㊀橡胶一阶Ｏｇｄｅｎ模型参数阶数λαＤ１２ １１ ５００１图１１㊀试验与仿真应力－应变曲线２ ２㊀多应变率动态材料数据处理将５种应变率动态压缩试验力和位移曲线转换为应力－应变曲线，筛选出每个应变率对应的试验数据，如图１２所示㊂运用Ａｂａｑｕｓ软件的材料用户子程序ＵＭＡＴ模块将５个应变率下的橡胶材料应力－应变曲线通过插值拟合编制成子程序模型，便于工程应用㊂图１２㊀５种应变率下橡胶应力－应变曲线３ 比较橡胶材料动静态参数本文作者以某车型转向管柱落锤冲击试验为例，比较橡胶材料动静态力学参数对转向管柱所受溃缩力的影响㊂将转向管柱按照整车厂定义位置安装在台架上㊂转向管柱溃缩力通过力传感器测得，力传感器通过花键环和中间连接件固定在转向轴轴端㊂半圆形蘑菇头工装通过螺栓连接与力传感器连接，橡胶缓冲垫套在半圆形蘑菇头上㊂将５０ｋｇ重物从１ｍ高处自由跌落，冲击半圆形蘑菇头，通过数据采集器获得转向管柱轴向和径向２个方向的溃缩力，如图１３所示㊂搭建与试验条件一致的转向管柱落锤冲击ＣＡＥ仿真模型，如图１４所示㊂将一阶Ｏｇｄｅｎ模型参数和多应变率子程序模型分别代入橡胶模型，通过Ａｂａｑｕｓ软件计算，得到基于一阶Ｏｇｄｅｎ模型橡胶参数的转向管柱轴向㊁径向溃缩力，得到基于多应变率子程序橡胶模型的转向管柱轴向㊁径向溃缩力，如图１５㊁图１６所示㊂图１３㊀转向管柱落㊀㊀㊀㊀㊀㊀图１４㊀转向管柱落锤锤冲击试验冲击仿真模型图１５㊀基于Ｏｇｄｅｎ模型的转向管柱溃缩力图１６㊀基于多应变率子程序模型的转向管柱溃缩力比较试验结果与仿真结果可知，基于一阶Ｏｇｄｅｎ模型的橡胶材料得到的转向管柱轴向峰值力的仿真结果都比试验测试结果小３０％，径向峰值力的仿真结果和测试结果基本一致，仿真结果和试验曲线趋势相差很大㊂然而基于多应变率子程序模型的橡胶材料得到的转向管柱轴向峰值力的仿真结果与试验结果基本一致，径向峰值力的仿真结果比测试结果差异不大于２０％，仿真结果和试验曲线趋势基本一致㊂因此，基于多应变率子程序模型的橡胶材料参数比基于一阶Ｏｇｄｅｎ模型的材料参数更加准确有效㊂４㊀结论本文作者研究了冲击载荷工况下橡胶的动态和静态力学性能，对橡胶材料进行了静态压缩和动态压缩试验，并拟合了橡胶材料参数，确定了橡胶材料准静态模型和多应变率材料参数㊂比较转向管柱落锤冲击仿真分析结果与试验结果，结果表明：考虑多应变率的橡胶材料能准确地表现出橡胶在受到冲击载荷下的力学性能，工程上使用多应变率橡胶材料参数是可行的㊂参考文献：［１］全国汽车标准化技术委员会．防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定：ＧＢ１１５５７－２０１１［Ｓ］．北京：中国标准出版社，２０１２．［２］魏志刚，陈效华，吴沈荣，等．橡胶衬套材料参数确定及有限元仿真［Ｊ］．机械工程学报，２０１５，５１（８）：１３７－１４３．ＷＥＩＺＧ，ＣＨＥＮＸＨ，ＷＵＳＲ，ｅｔａｌ．Ｍａｔｅｒｉａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｒｕｂｂｅｒｂｕｓｈｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，５１（８）：１３７－１４３．［３］丁超．橡胶衬套静㊁动态特性分析［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２０１５．［４］ＳＯＮＧＢ，ＣＨＥＮＷ．Ｏｎｅ⁃ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆＥＰＤＭｒｕｂｂｅｒ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００３，１２５（３）：２９５－３０１．［５］周相荣，王强，涂耿伟．弯曲型橡胶缓冲器冲击试验与数值仿真［Ｊ］．振动与冲击，２００７，２６（４）：９７－１００．ＺＨＵＯＸＲ，ＷＡＮＧＱ，ＴＵＧＷ．Ｉｍｐａｃｔｔｅｓｔａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｒｕｂｂｅｒｓｈｏｃｋａｂｓｏｒｂｅｒｓｏｆｂｅｎｄｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄＳｈｏｃｋ，２００７，２６（４）：９７－１００．［６］林玉亮，卢芳云，卢力．高应变率下硅橡胶的本构行为研究［Ｊ］．高压物理学报，２００７，２１（３）：２８９－２９４．ＬＩＮＹＬ，ＬＵＦＹ，ＬＵＬ．Ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｂｅｈａｖｉｏｒｓｏｆａｓｉｌｉｃｏｎｅｒｕｂｂｅｒａｔｈｉｇｈｓｔｒａｉｎｒａｔｅｓ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｉｇｈＰｒｅｓｓｕｒｅＰｈｙｓｉｃｓ，２００７，２１（３）：２８９－２９４．［７］庞宝君，阳震琦，王立闻，等．橡胶材料的动态压缩性能及其应变率相关的本构模型［Ｊ］．高压物理学报，２０１１，２５（５）：４０７－４１５．ＰＡＮＧＢＪ，ＹＡＮＧＺＱ，ＷＡＮＧＬＷ，ｅｔａｌ．Ｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌｗｉｔｈｓｔｒａｉｎｒａｔｅｅｆｆｅｃｔｏｆｒｕｂｂｅｒｍａｔｅｒｉａｌ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｉｇｈＰｒｅｓｓｕｒｅＰｈｙｓｉｃｓ，２０１１，２５（５）：４０７－４１５．［８］ＯＤＧＥＮＲＷ．Ｌａｒｇｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ⁃ｏｎｔｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｒｙａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｆｏｒｉｎｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅｒｕｂｂｅｒｌｉｋｅｓｏｌｉｄｓ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＲｏｙａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＬｏｎｄｏｎ，１９７２，３２６：５６５－５８４．阿朗新科正在生产不再依赖石化燃料的ＥＰＤＭ㊀㊀三元乙丙橡胶（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ⁃Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ⁃ＤｉｅｎｅＭｏｎｏｍｅｒ，ＥＰＤＭ）是乙烯㊁丙烯以及非共轭二烯烃的三元共聚物，是乙丙橡胶的一种，因其主链是由化学稳定的饱和烃组成，只在侧链中含有不饱和双键，故其耐臭氧㊁耐热㊁耐候等耐老化性能优异，可广泛用于汽车部件㊁电线电缆护套㊁耐热胶管㊁胶带㊁汽车密封件等领域㊂ＥＰＤＭ的传统制法是通过石油提取的乙烯和丙烯为原材料进行生产㊂作为替代方案，阿朗新科使用完全从可再生资源甘蔗中所提取的乙烯为原料，这种生物基乙烯是采用从巴西甘蔗中所提取的脱水乙醇生产的㊂阿朗新科在２０１９中国国际橡胶技术展览会上重点展出了ＫｅｌｔａｎＥｃｏ生物基ＥＰＤＭ在汽车上应用的产品㊂该生物基产品本身具备传统ＥＰＤＭ乙丙橡胶的所有特性，最重要的是它不再依赖石化燃料㊂ＫｅｌｔａｎＥｃｏ生物基ＥＰＤＭ产品在汽车行业最重要的应用是密封条，密封条是ＥＰＤＭ产品在中国最大的应用领域之一，主要有两个应用 密实和发泡密封条㊂因为阿朗新科车门密封条应用技术比较成熟，所以，已有客户在汽车管路系统等如进气管方面尝试使用阿朗新科的生物基ＥＰＤＭ产品㊂针对这类车用密封条产品应用，阿朗新科ＥＰＤＭ在国内拥有非常高的市场占用率，也是国内少数能够提供高品质汽车密封条橡胶材料的供应商㊂此外，针对汽车轻量化需求，阿朗新科高性能弹性体业务部大中华区事业部总监路伯扬指出，汽车零部件制造商可以采用比重更轻的ＴＰＶ材料，这是以乙丙橡胶ＥＰＤＭ为主要原材料㊁经过动态硫化工艺制备的热塑性弹性体；此外，通过ＥＰＤＭ配方的优化设计，可以采用比重更轻的海绵密封条来替代原有的密实密封条㊂着眼汽车电气化，汽车零部件制造商可以使用ＥＰＤＭ产品来生产出低烟无卤阻燃的电线电缆，大大降低火灾发生时烟雾中毒的风险㊂还有，混合动力汽车中的生物基ＥＰＤＭ橡胶应用也处在一个增量状态，有着非常好的发展前景㊂例如传统发动机使用天然胶进行减震，但天然橡胶耐温不够，而电力驱动会产生大量的热量，需要稳定的温控系统㊂对此阿朗新科开发了一种高弹性的ＥＰＤＭ乙丙橡胶Ｋｅｌｔａｎ９５６５Ｑ牌号，它在１００ħ的条件下热损失几乎为零，并且抗疲劳性特别好，可以代替天然橡胶㊂针对生物基ＥＰＤＭ的快速发展，阿朗新科在常州建立了三元乙丙橡胶（ＥＰＤＭ）工厂，该工厂于２０１５年正式投产，其设计产能为１６ˑ１０４ｔ，总投资为２ ３５亿欧元㊂同时，阿朗新科成立了位于该工厂的橡胶技术中心，该中心是阿朗新科全球８个研发中心中最重要的中心之一㊂该中心整合了阿朗新科的橡胶加工与混炼㊁物理性能测试和化学分析能力，拥有中国目前同类综合性橡胶实验室中最具高科技含量的设备，并且在去年１月份通过了ＣＮＡＳ认证，可为客户提供具有权威性和公信力的实验数据和服务㊂（来源：俞庆华）。
第3章 材料在冲击载荷下的力学性能
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第二节 冲击弯曲和冲击韧性
对于冲击试样，我国过 去和前苏联都采用梅氏 试样，美国和日本等过 则采用夏氏试样。 现在我国国家标准则融 合梅氏和夏氏两种类型 为一体，分别成为夏比 （Charpy）U形缺口试 样和夏比V形缺口试样。 用不同缺口试样测得的 冲击吸收功分别记为 Aku和AKV。
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冲击断裂过程
PGY之前，弹性变形 PGY后，塑性变形；载荷 增大到Pmax，塑性变形 区逐渐扩展到整个缺口面 （塑性区为图中红色虚线 和缺口面之间面积）； 在Pmax附近，应力最大 点位于红色虚线上；因此 在此处产生裂纹；随后裂 纹向前和向后同时扩展； 扩展机制是微孔聚集型， 形成图中“脚跟形纤维状 区”；此过程中材料承载 面积减小，载荷逐渐下降 到PF。
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第三节 低温脆性
2. 按断口形貌定义tk的方法
冲击试样冲断后，断口形貌见下图：
试验表明，在不同试验温度 下，纤维区、放射区与剪切 唇三者之间的相对面积（或 线尺寸）是不同的。 温度下降，纤维区面积突然 减少，结晶区面积突然增加， 材料由韧变脆。 通常取结晶区面积占整个断 口面积的50%时的温度为tk， 记为50%FATT或FATT50、 t50。
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第三节 低温脆性
挑战者号失事了！ 爆炸后的碎片在发射东南方 30km处散落了1h之久，价值 12亿美元的航天飞机，顷刻化 为乌有，7名机组人员全部遇难。 全世界为此震惊。 事故原因最终查明：起因是助 推器两个部件之间的接头因为 低温变脆破损（在航天飞机设 计准则明确规定了推进器运作 的温度应为40~90°F，而在实 际运行时，整个航天飞机系统 周围温度却是处于31~99°F的 范围。），喷出的燃气烧穿了 助推器的外壳，继而引燃外挂 燃料箱。燃料箱裂开后，液氢 在空气中剧烈燃烧爆炸造成的。
薄壁圆管轴向冲击下的动态特性研究
薄壁圆管轴向冲击下的动态特性研究朱文波;杨黎明;余同希【摘要】采用落锤冲击实验机和材料实验机(MTS)研究薄壁圆管轴向载荷下的动态力学特性，得到不同冲击速度下的轴向力-位移曲线。
发现惯性对薄壁圆管轴向压缩的动态吸能特性影响不大，而落锤不同冲击加载速度即代表应变率的变化引起的薄壁圆管材料屈服应力的提高，使得薄壁圆管比吸能SEA(单位质量结构所吸收的能量)和平均轴向压缩力Pm随着应变率的增加而呈上升趋势。
对不同应变率下的Pm进行无量纲化处理，发现实验结果与前人推导的理论结果趋势一致。
对比动态和准静态实验结果，发现圆管的动态变形模态相比准静态结果发生了改变，更高速度冲击下薄壁圆管的动态特性有待进一步研究。
%The dynamic properties of thin-walled circular tubes under axial compression are studied using Drop Hammer and MTS (Material Test System). Axial load-displacement curves under different crushing speeds are obtained from the tests. On observation of the behavior of thin-walled circular tubes under axial compression, it implies that the inertia effect has negligible influence on dynamic properties while the increment of strain-rate enhances the specific energy absorption (SEA) and mean force (Pm) of the tubes. Based on dimensionless analysis of Pm under different strain-rates, it shows that the experimental results are in good agreement with the theoretical ones obtained by former researchers. It is found from experimenting that the deformation mode of the tubes under impact is different from that under quasi-static, and further study is needed on the dynamic behavior of thin-walled circular tubes at higher speeds.【期刊名称】《宁波大学学报（理工版）》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】5页(P92-96)【关键词】薄壁圆管;轴向压缩;动态特性;应变率效应【作者】朱文波;杨黎明;余同希【作者单位】宁波大学机械工程与力学学院，浙江宁波 315211;宁波大学机械工程与力学学院，浙江宁波 315211;香港科技大学机械工程系，香港 999077【正文语种】中文【中图分类】O347.3薄壁圆管在轴向压缩下常发生稳定的渐进式的压溃变形模式(主要有圆环模式、金刚石模式、混合模式), 并且具有较长的压缩行程, 不仅能够吸收耗散大量的冲击能量, 而且通过设计薄壁圆管壁厚t、直径D, 选取材料等, 能有效地控制碰撞反作用力, 这些优点使薄壁圆管结构在各种实际工程中被广泛地用作能量吸收装置. 文献[1-2]系统地研究了薄壁金属圆管的轴向压溃行为, 发现其变形模式主要依赖于几何参数L/D (L为管长)和D/t. 定义L/D＞4的为长管, L/D<4的为短管, 长管一般易发生欧拉屈曲. 对于短管, 如果 D/t<50易发生圆环模式变形; 如果 D/t＞50易发生金刚石模式变形; 当短管L/D＞2, 且D/t＜50时, 易发生混合模式变形.为了预报薄壁圆管结构在轴向压缩下的吸能能力, 估计其相应的轴向压缩力, 有必要调查它们在轴向压缩加载下响应的各种特征. 对结构的加载一般有准静态加载和动态加载. 准静态加载速度非常缓慢, 可认为结构一直处在平衡状态; 而动态加载常在短时间内发生, 因此结构可能处于不平衡状态[3]. Florence等[4]和Lindberg等[5]做了铝合金薄壁圆管在高速冲击下的动态塑性屈曲实验,发现铝合金圆管在长度方向上的屈曲波长几乎是一致的, 且屈曲变形具有可重复性. 通常动态塑性屈曲经常与高速冲击相联系, 而渐进式屈曲常假定由低速轴向压缩引起. 然而 Murase等[6]对铝合金管做了一些高速冲击实验, 发现铝合金管在高速冲击下同样发生了渐进式的屈曲, 说明动态塑性屈曲并不仅仅与惯性效应有关. Abramowicz等[7]发现薄壁圆管轴向加载的各种动态屈曲响应主要是由惯性效应和非弹性材料特性的耦合作用引起的. 文献[8-10]认为动态弹塑性屈曲是一个与惯性效应和应变率效应相关的非常复杂的过程.笔者通过MTS机和落锤冲击试验机装置对一种薄壁圆管进行准静态和动态的轴向压缩实验,得到了不同应变率范围内的轴向压缩力－位移曲线,并分析得到了薄壁圆管轴向冲击下的动态特性.1.1 实验试件的制备实验所用的薄壁圆管取自一种饮料罐, 采用线切割技术将其头尾切去, 留下中间的金属空管.为了使薄壁圆管在轴向压缩过程中没有弯矩产生,线切割后的端面必须与圆管轴线保持垂直. 薄壁圆管试件参数见表1.1.2 落锤式冲击试验机装置及原理落锤式冲击实验机是常用的冲击实验装置,通过电磁装置将金属锤头可控制地从任意高度落下, 获得不同的冲击动能和速度, 具有加载重复性好, 载荷控制灵活等优点, 本实验所用的落锤冲击装置如图1所示.通过加速度传感器测量锤头的加速度(测量出的加速度已减去重力加速度), 该加速度与锤头质量的乘积即薄壁圆管对锤头的反作用力. 实验中采用的加速度传感器的频响为 200kHz; 通过频响为 20kHz的激光位移传感器测量锤头底面的位移变化, 当锤头与试件表面接触时, 假设锤头底面与试件端面的位移变化相同, 通过这2组数据可得到薄壁圆管轴向力－位移曲线, 分析轴向载荷随位移的变化趋势, 能够确定其动态吸能特性; 基于该力－位移曲线, 通过积分运算就可以得到吸收能量－位移曲线.薄壁圆管准静态轴向压缩实验和材料屈服强度的测试在 MTS实验机上完成, 设定加载速率均为5mm·min-1. 轴向冲击压缩实验在宁波大学冲击与安全工程重点实验室大型落锤式冲击实验机上完成, 所用的锤头重量为 41kg, 下落高度范围为0.4～0.8m, 研究薄壁圆管对不同冲击速度轴向压缩的动态响应. 薄壁圆管轴向冲击压缩后的变形如图2所示.图2 从左至右落锤的下落高度分别为0.4、0.5、0.6、0.8m. 观察变形后的试件可以发现, 随着锤头下落高度的提高, 薄壁圆管被压得越来越密实, 但总的褶皱数并未发生改变, 均为 9～10个; 薄壁圆管的变形模式也未发生变化, 为金刚石变形模式,且每个褶皱的瓣数N都为4.5. 而准静态实验变形后的薄壁圆管褶皱的瓣数N为3.5, 比动态实验的瓣数少. 对薄壁圆管进行更高速度的动态轴向压缩实验, 高速冲击下的试件相对于低速冲击下的试件可能会发生变形模态的改变, 这还有待于进一步的研究.落锤下落高度为0.4m时传感器测得的结果如图3所示. 对加速度－时间曲线进行积分处理, 同样能够得到薄壁圆管动态轴向压缩下的位移－时间曲线. 与激光位移传感器测得的数据进行比较,能够验证2种传感器的吻合度, 如图4所示. 从图4可以发现, 曲线前半段吻合较好, 后半段则出现微小的分岔, 可能是由于锤头与导轨之间有摩擦,以及试件未摆放在锤头下正中心位置造成.图 5为薄壁圆管动态与准静态轴向压缩下的力－位移曲线比较, 以及能量吸收－位移曲线比较, 发现动态实验下薄壁圆管的轴向力－位移, 以及能量吸收－位移曲线都要高于准静态结果, 即薄壁圆管动态轴向压缩的吸能能力要优于准静态轴向压缩. 图6为落锤下落高度为0.8m时, 圆管上端面的速度－时间曲线.2.1 惯性影响研究薄壁圆管轴向冲击压缩的特性, 主要需要考虑惯性和应变率效应的影响. 首先探讨惯性对薄壁圆管轴向吸能动态特性的影响.笔者所用薄壁圆管的质量M为22.25g, 轴向长度 L为 90mm, 引入薄壁圆管线密度lρ的概念,即单位长度薄壁圆管的质量. 研究所用试件, 线密度lρ=M/L=0.25g·mm-1. 取薄壁圆管轴向方向微元dl长度, 如图 7所示, 则该微元的质量其中单位长度表示薄壁圆管轴向压缩过程中该微元的轴向速度. 根据动量守恒定律,该微元满足:其中:iF表示该微元由于惯性作用引起的惯性力,代入公式可得该微元惯性力为:薄壁圆管在轴向压缩的过程中, 薄壁圆管与锤头接触的端面速度呈下行趋势, 取vi 最大值, 即圆管端面开始与锤头接触时的轴向速度. 当下落高度为 0.8m时, 不考虑锤头与导轨的摩擦, 根据机械能守恒定律,代入(2)式,得薄壁圆管动态轴向压缩时, 由于惯性作用引起的惯性力 iF=3.88N, 远小于落锤动态实验中由传感器测得的轴向压缩力, 因此在分析薄壁圆管轴向冲击压缩力时可以忽略惯性作用的影响.2.2 率相关本构模型能量吸收装置一般受快速变化的动载荷作用,结构快速变形, 从而出现高应变率. 而很多工程材料的力学性能恰恰与应变率有关. 应变率效应起着增强材料屈服应力的作用. 在各种用于工程材料的率相关本构方程中, Cowper-Symonds关系在结构碰撞中应用最为广泛. 其定义为:其中:为考虑应变率的动态屈服应力, Y为准静态屈服应力, B和q是率敏感性材料参数. 对实验中所用的薄壁圆管材料, 其率敏感性材料参数B为40s-1, q为5, 准静态屈服应力为248MPa.Abramowicz等[7]对Alexander薄壁圆管轴向压缩的变形模式模型提出了修正, 推出圆管在轴向冲击下发生金刚石变形模式时的应变率为:2.3 应变率效应为研究不同应变率下薄壁圆管的动态特性,进行了4组不同下落高度, 即不同冲击速度下的落锤实验, 并与 MTS材料实验机做的准静态实验结果比较, 每组实验 2～3个试件, 结果取平均值, 得到薄壁圆管不同冲击速度下的轴向力－位移曲线,基于吸能效率的概念得到轴向平均力－位移曲线,如图8所示. 当薄壁圆管吸能效率取最大值时, 计算其比吸能、平均轴向压缩力等评价指标(表2). 利用(4)式计算不同冲击速度代表的应变率, 并把表2数据描点画图, 如图9所示. 从图8(b)和图9可以看出, 随着应变率提高, 薄壁圆管比吸能和平均轴向压缩力也随之提高. 对平均压缩力进行无量纲化, 并与前人理论模型公式比较, 得到不同理论模型和实验数据点平均压缩力与应变率ε˙的变化曲线, 发现实验数据趋势与前人理论模型趋势一致.由此我们认为薄壁圆管轴向压缩具有一定的应变率效应.(1) 与准静态相比, 在冲击载荷下薄壁圆管的比吸能和平均轴向压缩力评价指标都有较大提升,且圆管的变形模式发生改变, 金刚石模式每个褶皱的瓣数N由3.5增到4.5. 更高冲击速度的轴向压缩对薄壁圆管变形模态的变化有待进一步研究.(2) 薄壁圆管轴向冲击压缩下, 其惯性对轴向力的影响较小, 可以忽略不计.(3) 随着冲击速度的提升, 薄壁圆管的比吸能和平均轴向压缩力也随之升高, 对不同应变率下的平均轴向压缩力进行无量纲化处理, 发现实验结果与前人推导的理论结果变化趋势一致, 说明薄壁圆管轴向压缩行为具有一定的应变率效应.【相关文献】[1] Andrews K R F, England G L, Ghani E. Classification of the axial collapse of cylindrical tubes under quasi-static loading[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 1983, 25:687-696.[2] Guillow S R, Lu G, Grzebieta R H. Quasi-static axial compression of thin-walled circular aluminum tubes[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2001, 43(9): 2103-2123.[3] 余同希, 邱信明. 冲击动力学[M]. 北京: 清华大学出版社, 2011:81-82.[4] Florence A L, Goodier J N. Dynamic plastic buckling of cylindrical shells in sustainedaxial compressive flow[J]. J Appl Mech, 1968, 35(1):80-86.[5] Lindberg H E, Florence A L. Dynamic pulse bucklingtheory and experiment[M]. Martinus Nijhoff Publishers, 1987.[6] Murase K, Jones N. The variation of modes in the dynamic axial plastic buckling of circular tubes[C]// Gupta N K. Plasticity and impact mechanics. New Delhi: Wiley Eastern Limited, 1993:222-237.[7] Abramowicz W, Jones N. Transition from initial global bending to progressive buckling of tubes loaded statically and dynamically[J]. Int J Impact Eng, 1997, 19:415-437.[8] Tam L L, Callandine C R. Inertia and strain rate effects in a simple plate-structure impact loading[J]. Int J Impact Eng, 1991, 11(3):349-377.[9] Harrigan J J, Reid S R, Peng C. Inertia effects in impact energy absorbing materials and structures[J]. Int J Impact Eng, 1999, 22(9/10):955-979.[10] Langseth M, Hopperstad O S, Berstad T. Crashworthiness of aluminum extrusions: Validation of numerical simulation, effect of mass ratio and impact velocity[J]. Int J Impact Eng, 1999, 22:829-845.。
散体介质冲击载荷作用下力学行为理论分析与算法实现
散体介质冲击载荷作用下力学行为理论分析与算法实现随着工程技术的发展，散体介质在工程领域中的应用越来越广泛。
散体介质是由大量颗粒或颗粒状物质组成的材料，如砂土、粉末、颗粒等。
在工程实践中，散体介质常常会受到冲击载荷的作用，例如地震、爆炸等。
因此，对散体介质在冲击载荷作用下的力学行为进行理论分析与算法实现具有重要的意义。
首先，散体介质在冲击载荷作用下的力学行为可以用力学模型进行描述。
通常采用的模型有离散元法和连续介质力学模型。
离散元法将散体介质看作是由大量颗粒组成的离散系统，通过建立颗粒之间的相互作用力模型，可以模拟散体介质在冲击载荷下的变形和破坏过程。
而连续介质力学模型则将散体介质看作是连续的介质，通过建立方程组来描述散体介质的变形和破坏行为。
这些模型可以为理论分析提供基础。
其次，针对散体介质在冲击载荷作用下的力学行为，可以通过数值方法进行模拟和分析。
数值方法是一种基于计算机科学的分析方法，通过建立数学模型和计算算法来模拟实际问题。
在散体介质的数值模拟中，常用的方法有有限元法、有限差分法和边界元法等。
这些方法可以将散体介质的力学行为转化为数学问题，并通过计算机的计算能力来求解。
最后，实现散体介质冲击载荷作用下力学行为的算法需要考虑多个方面的因素。
首先，需要选择适合的力学模型和数值方法。
不同的模型和方法适用于不同的问题和条件。
其次，需要合理选择计算参数，如时间步长、网格划分等。
这些参数的选择直接影响到计算结果的准确性和计算效率。
此外，还需要考虑计算机硬件性能和编程技术的支持，以保证算法的实现和计算的可行性。
综上所述，散体介质在冲击载荷作用下的力学行为理论分析与算法实现是一个综合性的问题。
通过建立适当的力学模型和选择合适的数值方法，可以对散体介质在冲击载荷下的变形和破坏行为进行模拟和分析。
这将为工程实践提供重要的参考依据，进一步推动散体介质领域的发展。
冲击作用力学行为研究
触 过 程 进 行 了动 态 模 拟 ，模 拟 计 算 锤 击 作 用 的 接 触 力 学
行 为 以 及应 力 应 变 的变 化 。
１ 有 限 元 模 型
本 文 采 用 的锤 头 为 ４ ０ Ｃ ｒ ， 平板 为 Ｑ ２ ３ ５ ， 参数如下 ： 材
料 ：Ｑ ２ ３ ５、 ４ ０ Ｃ ｒ ；弹 性 模 量 ： ２ ． ０ ５ ｅ ｌ １ 、 ２ ． １ ｌ ｅ ｌ １ ；泊 松 比 ：
本 文 采用 自由网格 划 分 方法 ， 有 限 元 模 型 的 形 状 如 图 １所 示 ： 其 中平板 厚 ｐ ｈ ＝１ ２ ｍ ｍ， 板半宽 ｐ ｌ ＝５ ０ ｍ ｍ， 锤 头 曲
锤 头 有 一 定 的 质量 ， 规定了重力加速度 ， 锤 击 过 程 就 成 了一 个重 物 在重 力 作用 下 以的 ｖ 速 度 撞击 平 板 了 。
２ 模 拟 结 果 分 析
问题 时 ， 需 要 预 先 将可 能 发 生 接 触 的边 界 分 别 定 义 为 “ 接
触”面和 “ 目标 ” 面 。这 两 个 面 合 起 来 叫 做 “ 接触 对 ” ，
Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ程 序 通 过 定 义 相 同 的 实 常 数 号 （ ｒ ｅ ａ １ ） 来识别“ 接 触
设 计 与 研 究
冲击 作 用力 学 行 为研 究
王 海峰
（ 济 钢集 团重 工 机械 有 限 公 司 ， 济南 ２ ５ ０ ２ ０ ０）
摘 要 ： 本 文 对 冲 击 作 用 的 力 学 行 为 进 行 了 一 系列 研 究 ， 是 进 行 冲 击 消 应 力 研 究 的 基 础 。 基 于 弹 塑 性 理 论 对 焊 接 应 力 应 变 场 进 行 了模 拟 分 析 ， 在 接 触 理 论 的 基 础 上 ， 采 用接 触 单 元 技 术 建 立 冲 击 一接 触 问 题 的 有 限 元 模型 ， 计 算 分析 冲 击接 触 的力 学行 为 与锤 击效 果 。 关键词 ： 锤 击 处 理 数 值 模 拟 有 限 元
纵向冲击压缩下LY12铝合金圆环的塑性失稳
第 ３期
爆
炸
与
冲
击
Ｖｏ１ ． ３ ７， Ｎｏ．３
Ｍａ ｙ． ２ ０１７
２ ０ １ ７年 ５月
ＥＸＰＬ０ Ｓ１ ０ Ｎ Ａ Ｎ Ｄ ＳＨ Ｏ ＣＫ Ｗ Ａ Ｖ ＥＳ
纵 向冲 击压 缩 下 Ｌ Ｙ１ ２铝 合 金 圆环 的 塑 性 失 稳
施春英， 徐松林， 单俊芳， 王鹏飞， 胡 时胜
的应 力 降过 程 。 为 揭 示 此 应 力 降 的发 生 机 制 ， 对润滑 、 细磨 、 粗 磨 ３种 端 面 粗 糙 条 件 下 ， 外径 、 内径 和 高 度 比值
为 ６： ３： ２的 Ｌ Ｙ １ ２ 铝 合 金 圆 环进 行 系 统 的 Ｈｏ ｐ ｋ ｉ ｎ ｓ ｏ ｎ压 杆 纵 向 冲 击 实 验 。结 果 表 明 ： 应 力 降 主 要 发 生 在 较
大 的应 变 和 较 高 的 应 变 率 条 件 。进 一 步 对 实 验 样 品 的金 相 观 察 发 现 ： 应 力 降产 生 的 内 在 机 制 为 绝 热 剪 切 带 的
形成和发展 ， 此 现 象 是 一 种 动 态 塑性 失稳 的 过 程 。 以上 结 果 为 金 属 材 料 在 冲击 条 件 下绝 热 剪 切 带 产 生 的 研 究
验， 分析 其绝 热 剪切 破坏 。魏 志 刚等口 采用 斜 圆柱试 件研 究 了冲击 载荷 作 用下 钨 合金 材 料 的绝 热 剪切
＊
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ５ — １ ２ — １ ６ ；修 回 日期 ： ２ ０ １ ６ － ０ ４ — ２ ９ 基 金项 目 ：国家 自然 科 学基 金项 目（ １ １ ２ ７ ２ ３ ０ ４ ， １ １ ４ ７ ２ ２ ６ ４ ）
冲击载荷下圆环压缩变形特性研究
冲击载荷下圆环压缩变形特性研究杨茨;徐松林;易洪癉【摘要】基于 Johnson-Cook 材料模型，应用数值模拟的方法，研究了圆环件在冲击载荷作用下的压缩变形规律。
得到了冲击载荷下的摩擦系数－变形特性曲线，由此研究了不同载荷幅值（加载速度）、不同应变率敏感系数下的圆环内径变化规律以及对临界摩擦系数的影响。
结果表明：摩擦系数－变形特性曲线和准静态结果基本趋势一致但有较大的差异，其中惯性效应起主要作用，应变率效应则起着次要作用。
另外，此过程存在着临界摩擦系数，而应变率效应和惯性效应对圆环的临界摩擦系数影响不大，因此，临界摩擦系数可以作为试件的内在属性，应用于圆环的冲击锻压工程。
%Based on Johnson-Cook material model,the deformation properties of a metal ring under impact loading were numerically analyzed.The friction calibration curves under impact load were obtained and compared with the quasi-static results.The effects of different loading speeds and different strain rate sensitivity coefficients on calibration curves and critical friction coefficient.The calculation results showed that the calibration curves under impact load have similar tendencies but obvious differences in quantity compared with the quasi-static results;both strain rate effect and inertia effect have influences on calibration curves during a ring specimen subjected to impact loading;the inertia effect plays a major role,and the influence of the strain rate effect is not veryobvious;furthermore,there is a critical friction coefficient during the ring compression and it can be considered as an intrinsic property of a metal ring,it keeps a constant under different conditions.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2015(000)011【总页数】6页(P128-132,145)【关键词】冲击动力学;Hopkinson压杆(SHPB);圆环压缩;动态摩擦;应变率效应;惯性效应【作者】杨茨;徐松林;易洪癉【作者单位】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，合肥 230027;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，合肥230027;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，合肥230027【正文语种】中文【中图分类】O347Deformation properties of a ring under impact loadingKey words:impact; SHPB; ring compression; dynamic friction; strain rate eff ect; inertia effect对圆环件压缩变形特性的研究最初起源于金属加工工业。
Q345圆钢管在冲击荷载作用下的动力响应分析
Q345 圆钢管在冲击荷载作用下的动力响应分析摘要：本文通过对Q345 圆钢管在冲击荷载作用下的动力响应分析，探究了其在复杂环境下应变和应力状态的变化规律和变形机理。
首先，对圆钢管的受力分析进行了详细阐述，然后建立了Q345 圆钢管的动力响应模型，并采用ANSYS 软件进行数值分析，得出了其在不同冲击载荷下的动力响应结果。
最后，论文结合实验数据对模型进行了验证，并总结了圆钢管在冲击荷载作用下的变形特点和应对策略。
本研究对于进一步完善圆钢管的设计和工程实践具有重要的参考价值。
关键词：Q345 圆钢管，动力响应，冲击荷载，ANSYS，变形机理Abstract:In this paper, through the analysis of the dynamic response ofQ345 round steel pipe under impact load, the changes of strain andstress state and deformation mechanism under complex environment are explored. Firstly, the force analysis of the round steel pipe is elaborated in detail. Then, the dynamic response model of Q345 roundsteel pipe is established, and the numerical analysis is carried out byusing ANSYS software to obtain the dynamic response results underdifferent impact loads. Finally, the paper validates the model with experimental data and summarizes the deformation characteristics and coping strategies of round steel pipe under impact load. This study has important reference value for further improving the design and engineering practice of round steel pipe.Keywords: Q345 round steel pipe, dynamic response, impact load, ANSYS, deformation mechanism1.引言圆钢管作为一种重要的结构元件，在建设项目中得到广泛的应用，但在一些特殊的工程环境中会遭受到复杂的冲击荷载，如台风、地震、车辆冲撞等。
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－１ ） 圆环的准静态纵向压缩过程 （ １ ０－３ ｓ
Ｆ ｉ ． ２ Ｃ ｏ ｍ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｂ ｅ ｈ ａ ｖ ｉ ｏ ｒ ｏ ｆ ｒ ｉ ｎ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｕ ａ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ － ｇ ｐ ｇ ｑ ｌ ｏ ｎ ｉ ｔ ｕ ｄ ｉ ｎ ａ ｌ ｌ ｏ ａ ｄ ｉ ｎ ｗ ｉ ｔ ｈ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｒ ｏ ｕ ｈ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｇ ｇ ｇ
究了圆环件的形状与端面摩擦效应的关系 ， 实验结果表明 ： 与传统圆柱试件相比 ， 采用较大的内径 、 较薄
７， ８］ 林 玉 亮［ 等通过霍普金森杆 的厚度圆环件时能有效的减小 Ｓ ＨＰ Ｂ 实 验 中 的 端 面 摩 擦 效 应。卢 芳 云、
压剪复合加载实验研究了聚氨酯泡沫塑料 、 硅橡胶 、 ＭＤ Ｆ 水泥与 铝 合 金 四 种 材 料 在 不 同 端 面 摩 擦 条 件 下的力学响应 ， 通过剪应力计得到端面摩擦系数随加载时间的变化关 系 ， 其 结 果 表 明： 端面摩擦系数存 在一定的分散性 ， 即加载过程端面摩擦系数并不保持为恒定值 。 然而对于圆环件在大变形条件 、 不同端面粗糙条件下的动态力学 行 为 的 研 究 及 相 关 机 制 探 讨 方 面
图 １ Ｓ ＨＰ Ｂ 实验装置 Ｆ ｉ ． １ Ｓ ＨＰ Ｂ ｓ ｅ ｔ ｕ － ｇ ｐ
图 １ 中圆环试件为外径 、 内径和高度分别为 ６ 用较 ｍｍ、 ３ ｍｍ 和 ２ ｍｍ 的铝合金圆环 。 分别在粗磨 （ 、 粗砂纸将试件和杆端面磨平 ） 细磨 （ 用较细的砂纸将试件和杆端面磨平 ） 和润滑 （ 普通凡士林润滑 ） 三种 端面粗糙条件下进行若干 次 重 复 实 验 。 如 果 粗 磨 、 细 磨、 润滑三种粗糙条件端面摩擦系数分别为μ １、 则有 μ ２、 ３， １＞ ２＞ ３ 。 本文对圆环在这三种端面粗糙条件下的动态响应进行了对比研究 。 μ μ μ μ 同时 ， 作为对比 ， 在液压伺服材料试 验 机 （ 上对三种端面粗糙条件下的圆环进行了准静态压 ＭＴ Ｓ） 缩实验 。
冲击载荷下圆环纵向压缩力学行为研究
杨茨 ，徐松林 ，易洪昇
（ ） 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 ２ ３ ０ ０ ２ ７
＊
摘要 ：选用外径 、 内径和高度三者比值为 ６∶３∶２ 的 铝 合 金 圆 环 试 件 作 为 研 究 对 象 ， 在 粗 磨、 细 磨和润滑三种端面粗糙条件下 ， 利用 Ｓ ＨＰ Ｂ 实验方法研究了其纵向动态压缩行为 。 实验结果表 明 ：随着端面摩擦系数的增大 ， 对应的屈服强度和硬化强度增大明显 。 同时 ， 圆环纵向压缩应力 应变曲线有一个明显的应力下 降 段 。 其 原 因 是 圆 环 在 塑 性 压 缩 过 程 从 内 而 外 发 生 了 动 态 塑 性 失稳 。 由于端面应力不均匀和压缩过程端面摩擦系数不均匀变化 ， 试件前后端面的压缩变形明 得到了和实验相类似的 显不一致 。 数值模拟分析了不同表面粗糙情况下的圆环纵向压缩 过 程 ， 现象 。 关键词 ：冲击动力学 ；分离式霍普金森压杆 ；圆环纵向压缩 ；端面摩擦效应 ： ／ 中图分类号 ： Ｏ ３ ４ ７ 文献标识码 ：Ａ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． ７ ５ ２ ０ １ ０ ０ １ ４ ８ ８ ８ １ ３ ０ ８ ２ － － －
１ 圆环纵向冲击压缩实验
实验在中国科学技术大学冲击动力学实验室直径为 １ 采用常规 ４． ５ ｍｍ 的 Ｈ ｏ ｋ ｉ ｎ ｓ ｏ ｎ 压杆上进行 ， ｐ ［ ９］ 。 ， （ ） 、 、 。 的Ｓ 实验装置示意图见图 １ 主 要 由 子 弹 撞 击 杆 入 射 杆 透 射 杆 组 成 附 属 设 备 ＨＰ Ｂ 实验技术 包括气枪 、 测速装置 、 应变片 、 缓冲装置等 ， 数据采集处理系统包括超 动 态 应 变 仪 、 瞬态波形存储器以及 计算机处理系统等 。
。 这是由于端面摩擦效应的存在改变了试件的一维受力状态 ， 端面摩擦约束越 ４ ３ ７ ＭＰ ａ和 Ｅ１ ＝２ ５ ７ ＭＰ ａ 强， 受力单元的静水压力越大 ， 其屈服强度随之增加 。 这也说明要获得较可靠的准静态单轴加载应力应 变关系 ， 必须对试件和压头端面采取适当的润滑措施 。 ２． ２ 圆环的纵向冲击压缩行为 图 ３ 为在 Ｓ 透射波和反射波信号 。 从反射波波形 ＨＰ Ｂ 实验中得到的圆环冲击过程典型的入射波 、 来看 ， 在有效的实验阶段 ， 试件基本处于恒应变率加载状况 。
第２ ９卷 第１期 ２ ０ １ ４年 ２ 月
实 验 力 学
Ｊ ＯＵＲ ＮＡ Ｌ Ｏ Ｆ Ｅ Ｘ Ｐ Ｅ Ｒ Ｉ ＭＥ Ｎ ＴＡ Ｌ ＭＥ ＣＨＡＮ Ｉ Ｃ Ｓ
ｏ ． １ Ｖ ｏ ｌ ． ２ ９ Ｎ Ｆ ｅ ｂ ． ２ ０ １ ４
（ ） 文章编号 ： １ ０ ０ １ ４ ８ ８ ８ ２ ０ １ ４ ０ １ ０ ０ １ ８ ０ ８ － － －
第１期
杨茨等 ：冲击载荷下圆环纵向压缩力学行为研究
１ ９
却鲜有报导 。 相比于准静态加载条件 ， 在冲击载荷作用下试件接触面的形态 、 应力分布会发生更显著的 ， 变化 ， 随之而来的接触面的摩擦条件也会发生显著变化 （ 在时间和空间尺度 ） 必然带来一些特殊的力学 现象 ， 值得进行深入研究 。 本文将采用 Ｓ 研究圆环件在粗磨 、 细磨和润滑等三种端面粗 ＨＰ Ｂ 实验方法 ， 结合端面摩擦效应等条件对实验结果进行分析 ， 并且利用 ＭＴ 糙条件下的力学响应 ， Ｓ 对比实验得到圆 环试件的材料参数 ， 利用数值模拟对此过程进行深入研究 。
２ 实验结果和分析
２． １ 圆环的准静态纵向压缩 三种端面粗 糙 条 件 下 的 准 静 态 压 缩 曲
－３ －１ 线（ 加载 速 率 为 １×１ 如 图 ２ 所 示。 ０ ｓ ）
由图可 见 ， 铝合金圆环的纵向压缩过程分 为两个阶段 ： 弹性压缩阶段 （ 图中 Ｏ 和 Ａ 段） 。不同的端面 图中 Ａ 塑性硬化阶 段 （ Ｂ 段） 粗糙条 件 对 弹 性 压 缩 阶 段 没 有 影 响 ， 但端 面粗 糙 条 件 对 塑 性 硬 化 阶 段 有 较 大 的 影 响： 随着端面 摩 擦 系 数 的 增 大 ， 对应的屈服 强度和硬 化 强 度 增 大 明 显 。 从 图 中 可 见 ， 该准静 态 压 缩 曲 线 近 似 符 合 双 线 性 模 型 ， 端面 润 滑 时 铝 合 金 材 料 的 屈 服 应 力σ ｓ＝ ， ； ３ ６ ０ ＭＰ ａ Ａ Ｂ 段 的 割 线 模 量 Ｅ１ ＝２ ３ ５ ＭＰ ａ
Hale Waihona Puke ， 比 准静 态 的 要 高， 表 现 出 一 定 的 应 变 率 效 应 。Ａ ２ ８ ＭＰ ａ Ｂ 段的斜 端面润滑时的屈服极限为σ ｓ ＝５ ， ， 也比 准 静 态 的 高 ， 表 明 此 材 料 有 一 定 粘 塑 性 特 性 。Ｃ 率为 ４ ０ ０ ＭＰ ａ Ｃ Ｄ 段的斜率为 ７ ７ ０ ＭＰ ａ Ｄ 段的斜 率高于 Ａ 是一个应变硬化材料 。 同时 ， 端面细磨和粗磨 Ｂ 段的斜率表明此材料有明显的塑性硬化特性 ， 情况下材料屈服应力 、 这与准静态实验结 果 有 差 Ａ Ｂ 段的斜率和Ｃ Ｄ 段的斜率与端面润滑时的值相当 ， 异 。 图 ４ 中 Ｂ 点为曲线的一个极值点 ， 并且可以看出 ， 摩擦系数越 Ｂ 点对应的真实应变约为ε ３ ５， ０ ＝０． 这个应变值越小 ， 塑性失稳越早发生 。 大， 此过程 中 令 人 感 兴 趣 的 是 Ｂ 细磨和粗磨时的应力降幅值分别为 Ｃ 段 的 存 在。 端 面 润 滑、 、 ， 随表面粗糙程度 的 增 加 ， 应 力 降 幅 值 降 低。 其 原 因 在 于 表 面 约 束 力 １ ４ ５． ３ ＭＰ ａ ６ ２． ２ ＭＰ ａ和 ７ ６． ０ ＭＰ ａ 越大 ， 圆环应力状态越复杂 ， 圆环内径处越不易进入塑性状态 。 在准 静 态 压 缩 过 程 中 ， 并没有此阶段的 存在 ， 表明 Ｂ 可以认为 Ｂ Ｃ 段的存在是由 于 动 态 塑 性 失 稳 所 致 ， Ｃ 段 为 塑 性 失 稳 阶 段。 参 看 Ｃ ａ ｒ ｒ ｏ ｌ和
［］ 缩后内径扩大 ， 内圆柱面呈凹状 ； 当 摩 擦 系 数 较 大 时， 压缩后 内 径 缩 小， 内 圆 柱 面 呈 凸 状 。Ａ ｖ ｉ ｔ ｚ ｕ ｒ２ 等 ［］ 得到了圆环压缩的理论解和理论摩擦 标 定 曲 线 。 Ｍ 对圆环纵向压缩过程作了理论推导和分析 ， ａ ｌ ｅ３ 等
则通过准静态实验得到了实验摩擦标定曲线 。 上述研究工作主要集中于准静态条件 。 对圆环进行纵向冲击压缩研究 ， 始于 Ｓ ＨＰ Ｂ 实验中对试 件
０ 引言
圆环件纵向压缩行为的研究起源于金属加工工业 。 外径 、 内径和高 度 三 者 比 值 为 ６∶３∶２ 的 典 型
１］ ： 圆环与压板之间摩擦系数的 大 小 比 较 灵 敏 地 反 映 在 圆 环 内 径 的 相 圆环试件的实验和理论研究表明 ［
对变化上 。 圆环纵向压缩时 ，随着界面摩擦 系 数 的 不 同 ， 存 在 着 两 种 变 形 模 式： 当 摩 擦 系 数 较 小 时， 压
图 ３ 原始实验波形 Ｆ ｉ ． ３ Ｒ ｅ ｃ ｏ ｒ ｄ ｅ ｄ ｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｗ ａ ｖ ｅ ｒ ｏ ｆ ｉ ｌ ｅ ｓ ｇ ｐ ｐ
－１ ） 图 ４ 不同端面粗糙条件下的圆环冲击压缩过程 （ ３ ０ ０ ０ ｓ
ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｅ ｓ Ｆ ｉ ． ４ Ｃ ｏ ｍ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｒ ｉ ｎ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｌ ｏ ｎ ｉ ｔ ｕ ｄ ｉ ｎ ａ ｌ ｐ ｇ ｐ ｇ ｇ ｄ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｌ ｏ ａ ｄ ｉ ｎ ｗ ｉ ｔ ｈ ｖ ａ ｒ ｉ ｏ ｕ ｓ ｒ ｏ ｕ ｈ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｙ ｇ ｇ
；修订日期 ： ２ ０ １ ３ ０ ５ ２ ０ ２ ０ １ ３ ０ ６ １ ９ ＊ 收稿日期 ： － － － － ） 基金项目 ：国家自然科学基金 （ 资助 １ １ ２ ７ ２ ３ ０ ４ ， ： 通讯作者 ：徐松林 （ 男， 博士 ， 副 教 授 。 主 要 从 事 材 料 动 态 力 学 行 为 的 理 论 和 实 验 技 术 方 面 的 研 究 。Ｅ－ｍ １ ９ ７ １－ ） ａ ｉ ｌ ｓ ｌ ｘ ｕ ９ ９＠ ｕ ｓ ｔ ｃ ． ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ