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水泥砂浆动态力学性能研究

作　者: 张瑞娟
导　师: 王志华
学　校: 太原理工大学
专　业: 固体力学
关键词: 数值模拟实验研究恒应变率分离式Hopkinson压杆波形整形技术脆性材料
分类号: O348
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验技术是实测材料动态力学特性的重要实验手段之一,但是,如果用常规的实验和数据处理方法在Hopkinson杆装置上对脆性材料实施动态实验,其结果将带有很大误差或甚至是不可信。另外一个问题是脆性材料的小破坏应变要求增加加载波形的上升时间以在破坏前达到应力均匀状态。因此目前在对脆性材料的Hopkinson压杆装置实验方法的研究中,提出许多措施来消除这一影响,改善实验质量。本文主要对脆性材料(水泥砂浆)在应用了脉冲整形技术后,在分离式Hopkinson压杆作用下动态性能测试时存在的一些问题进行研究,主要工作包括:1.利用大型非线性有限元软件LS-DYNA作为求解器,FEMB作为前后处理器,数值模拟了脉冲整形的优化参数,同时评价了在SHPB试验中脉冲整形技术对脆性试件的作用。通过调整脉冲整形器的几何及材料参数,研究这些参数对于圆柱形水泥砂浆试件动态性能测试中的影响。计算结果给出了冲击过程中的入射、反射和投射应变时程曲线,并给出了试件上轴向应变时程曲线,为脆性材料在分离式Hopkinson压杆作用下动态性能研究时的有效性提供了系统的、丰富的数据。数值模拟结果发现:在SHPB实验中,即使经过整形的入射应力脉冲产生了一个近似恒应变率的反射脉冲,但在脆性试件里,其不同位置的轴向应变变化趋势仍不相同.这暗示了:在SHPB实验里,反射脉冲获得了一个近似恒应变率,可能不等于说SHPB试件也获得了近似恒应变率。2.利用大直径(74 mm)SHPB试验装置对不同形状的水泥砂浆试件进行了动态性能实验研究,以此来研究不同尺寸、不同材料的整形器在不同速度下对不同形状的试件的整形效果。在两波导杆上贴应变片,记录了入射、反射和投射波形,并用SHPB计算软件给出了两波导压杆之间的试件的应变率、应力、应变,分析试件的形状对水泥砂浆材料的应变率、应力-应变曲线的影响,和应变率对试件的应力-应变曲线的影响。并对试件的不同位置采用应变片测试了其轴向和周向的应变,来分析即使入射脉冲的升时延长了,波形震荡减弱了,试件里是否达到恒应变率;轴向应变是否均匀,和周向应变是否存在等问题。实验结果发现:采用脉冲整形器在脆性材料动态实验中实现“恒应变率”变形具有较大的困难,如刻意追求“恒应变率”可能造成实验的动态特性过度“牺牲”,导致试件中的应变率达不到“转变应变率”。另外还发现:尽管在试件的几何尺寸设计上采取了消除横向惯性效应的措施,采用了脉冲整形器延长入射波的上升时间以保证试件中的变形均匀性,但其轴向应变并不相等,且仍然存在有非常大的径向应变,从而横向惯性效应对实验精度造成不可忽略的影响。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-30
  1.1 SHPB 实验技术  10-20
    1.1.1 传统的SHPB 实验技术  10-13
    1.1.2 传统SHPB 实验存在的问题及其解决办法  13-20
  1.2 脆性材料--水泥砂浆  20-23
  1.3 霍普金森压杆实验中的脉冲整形技术  23-26
  1.4 数值模拟在SHPB 实验技术中的应用  26-28
  1.5 本文的主要工作  28-30
第二章水泥砂浆动态力学性能数值模拟研究  30-54
  2.1 LS-DYNA 软件  30-35
    2.1.1 LS-DYNA 软件介绍  30-31
    2.1.2 显示时间积分算法  31-33
    2.1.3 对称罚函数的接触算法  33-35
  2.2 水泥砂浆在分离式Hopkinson 压杆作用下的数值模拟  35-52
    2.2.1 有限元模型的建立  36-39
    2.2.2 波形整形器的调试和功能  39-49
      2.2.2.1 不同材料的脉冲整形器对脆性材料动态实验中波形修正效果  40-42
      2.2.2.2 不同厚度的整形器对脆性材料实验中波形修正效果的分析  42-44
      2.2.2.3 不同直径的整形器对脆性材料实验中波形修正效果的分析  44-47
      2.2.2.4 不同速度对脆性材料实验中波形修正效果  47-48
      2.2.2.5 有无脉冲整形器时的波形比较  48-49
    2.2.3 在相同的整形器下，开孔试件的输入、输出波形和不开孔的对比  49
    2.2.4 应力均匀性的判断  49-51
    2.2.5 由间接法测得的应变率-时间曲线  51
    2.2.6 试件中的应变率不均匀性的研究  51-52
  2.3 小结  52-54
第三章水泥砂浆动态性能实验研究  54-80
  3.1 试件和实验装置  54-59
    3.1.1 水泥砂浆试件的制备  54-56
    3.1.2 实验装置  56-59
  3.2 实验内容  59
  3.3 实验结果和分析  59-77
    3.3.1 脆性材料动态实验中脉冲整形器的功能  59-68
    3.3.2 应力-应变曲线  68-70
    3.3.3 应变率曲线  70-71
    3.3.4 轴向和径向应变  71-77
  3.4 实验结果分析和结论  77-80
第四章全文总结  80-82
参考文献  82-89
致谢  89-90
攻读硕士学位期间发表过的论文  90

水泥砂浆动态力学性能研究

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