摘要：梯度材料热弛豫响应行为的理论研究对于热分析具有重要意义。结合Cattaneo-Vernotte线性双曲型热传导方程,推导得到幂律梯度材料的一维双曲型非傅里叶热传导方程。通过积分变换法,解得频域内温度场的贝塞尔级数形式解,随后利用极点留数法,得到时间域内温度场的第一类解析解。在第一类解析解的基础上,由简化欧拉方程解得第二类解析解。结合拉普拉斯数值逆变换方法,验证了解析解的准确性。以高温阻热梯度材料Mo-ZrC的应用为例,讨论了一般温度边界条件以及温度脉冲载荷作用下幂律梯度材料的热弛豫响应行为。分析发现,在所研究范围内温度场具备波动和传导衰减的双重特性。响应时间和温度幅值随着热弛豫时间系数的增大而增大,温度场分布和单元波形与梯度结构相关。

摘要：应用新研制的中应变率实验装置结合激光干涉测速系统完成了纸蜂窝结构的动态加载实验,研究纸蜂窝结构在中应变率下的力学性能;结合高速摄影和数字图像相关方法,得到纸蜂窝结构的变形过程和动态失效机制,并采用数值方法进一步探究其动态失效机制。结果表明:纸蜂窝结构表现出明显的应变率效应;厚度为2.10 mm的纸蜂窝屈服强度明显低于其他3种尺寸,表现出异常尺寸效应,应力-应变曲线下降段也有较大差异。产生异常尺寸效应的主要原因是,随着试样尺寸的增大,纸蜂窝结构的破坏模式发生了变化。中应变率加载过程中,纸蜂窝结构的失效机制为破坏模式的转变—由面外壁屈曲破坏转变为面内剪切破坏。本研究还利用数值模型分析了胞元宽度的变化对结构力学性能的影响,该研究结果对于薄壁结构的优化设计具有很好的参考意义。

摘要：动载荷下剪切失稳控制的扩散行为是岩石局部大变形发展和宏观力学性能劣化的诱因。基于广义变分原理建立剪切载荷作用下界面动态失稳的力学模型,得到了关于界面失稳的判别式和扩散方程。基于判别方程得到了剪切力和动力效应对失稳界面角度的影响,结果表明:随着外部剪切作用力的增大,剪切变形带角度有一定程度的增大;随着局部动力系数的增大,即局部惯性作用力的增大,剪切带角度明显减小。结合本征位移求解扩散方程,初步得到其位移解析表达式,位移随加载时间的增加逐渐增大。为了验证理论模型的可靠性,并进一步研究界面失稳的变形行为和对波传播的影响,建立了数值分析模型。分析结果表明:界面失稳为局部剪切破坏滑移的先导条件;界面厚度和剪切力越大,局部位移越大;界面剪切扩散行为极大降低了透射波的幅值,同时也改变了透射波的频率。研究结果可为岩石局部化变形、岩石动态强度等研究提供理论参考。

摘要：应用霍普金森压杆(SHPB)实验装置,通过改变透射杆为钢杆和铝杆,对立方体聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)试样和两种梯台PMMA试样进行动态压缩实验.利用高速摄影记录试样的压缩过程,并结合力位移曲线分析试样的破碎过程,探讨了冲击载荷作用下PMMA试样变形和广义扩散阻力的演化.结果表明:试样的破坏模式主要为接触端局部产生失效阵面,然后失效阵面向试样内部扩展.立方体试样在低速冲击下,失效阵面优先在透射端产生;在高速冲击下,失效阵面在入射端先产生.通过改变试样形状和透射杆材质后,阵面的产生存在明显的弛豫现象,并且失效阵面仅在入射端产生.梯台试样破碎前的压缩变形是非均匀的,试样内部应力状态和变形状态随着截面增加逐渐变小,并且呈线性扩散分布.通过应变分布结合剪切激活扩散方程,得到失效阵面扩散过程中的广义扩散阻力分布情况;失效阵面前后广义扩散阻力先增加后减小,阻力的幅值与局部应变能的释放有关.

摘要：贝壳、牡蛎等天然材料因其轻质高强的力学特性在材料设计等领域受到了广泛的关注,但由于材料本身结构的复杂性,对其力学行为的研究十分困难。近年来,分数阶模型在研究材料的力学特性上取得了成功,相比传统模型,分数阶模型可以更好地表征复杂介质的应力或应变与时间的关系。因此,本文从波传播理论出发,以分数阶模型作为材料本构,得到了复杂介质的波传播控制方程。通过Laplace变换得到了控制方程的解析解,并通过Laplace数值逆变换分析了波的衰减对分数阶模型中参量的敏感性,讨论了不同于材料弹性、黏性的材料“惯性”特性。接着,基于解析解和多种实验测试信号,给出了得到分数阶模型参数的拟合式子。以牡蛎材料作为研究对象,利用CO_(2)脉冲激光器进行小试样的冲击加载、应用两点激光干涉测速系统(laser interferometer velocimetry system,VISAR)对表面粒子的速度进行测量,得到了4种密度下不同厚度的牡蛎壳试样的粒子速度时程曲线,再结合上述理论方法分析得到了牡蛎壳试样的Abel模型和分数阶Maxwell模型的参数,模型参数反映了牡蛎壳试样的细微观结构特征。结果发现:牡蛎壳试样的密度越大,即在细微观上具有砖泥结构的珍珠层的占比越高,速度衰减越大,试样的黏性越大;这是由于CO_(2)激光脉冲器发射的激光波长与牡蛎壳试样珍珠层的砖泥结构间的缝隙尺寸相近,使得激光在冲击牡蛎壳试样中的珍珠层时发生较大的散射。

摘要：研制了一种可以实现多次加载的凸轮递进式中应变率压缩实验系统。该实验装置采用伺服电机驱动蓄能飞轮转动,后蓄能飞轮带动加载凸轮压缩加载杆的方法,实现对试样中应变率的压缩;同时在一级压缩即将结束时步进电机迅速推动蓄能飞轮贴近加载凸轮,实现多级压缩。试样的动态压缩载荷通过两侧杆上粘贴的应变片所记录的应变信号得到;试样变形过程通过激光干涉测速系统测得的试样两侧杆端的运动速度信号得到。以纸蜂窝试样为例,基于研制的中应变率实验系统,并结合高速摄影图片,研究了厚度10 mm、直径14.5 mm的纸蜂窝试样在应变率3.5 s^(−1)下的动态压缩力学性能,得到了单级压缩和两级压缩过程中纸蜂窝试样的应力-应变曲线和变形过程,并讨论了该实验系统的可靠性。此实验系统可以实现多级递进式中应变率加载;纸蜂窝试样在中等应变率下的峰值强度和平台应力对高应变率下的动态压缩实验数据和低应变率下的准静态实验数据进行了较好地衔接;试样的失效模式主要为准弹性变形后的外壁屈曲和面内剪切。

摘要：结合混凝土试件的真三轴静载冲击实验结果,分别运用考虑应变率效应的Holmquist-Johnson-Cook(HJC)模型和考虑静水压效应的Drucker-Prager(DP)模型进行数值分析,以探讨研究混凝土试样应变率效应和惯性效应的方法。在探究混凝土的应变率效应和横向惯性效应的关系时,使用HJC模型的数值模拟结果来拟合DP准则的各个参数。结果表明:随着应变率的升高,混凝土的强度会提高,并且这种强度的提高,也有一部分原因是第一应力不变量I_(1)的增大所导致的。因此,混凝土试件的应变率效应和横向惯性约束具有较强的耦合作用。理论和数值分析了冲击下试样内部的横向应力分布特征与应变率、静水压和试样尺寸的关系,结果发现:试样内部横向应力的幅值随着应变率、静水压的升高而增大,但随着试样尺寸的增大而减小。为了探讨横向惯性带来的强度提升效果,提出了一个有关冲击方向最大应力σ_(x)和等效应力σ_(e)的参数ξ,且ξ=(σ_(x)−σ_(e))/σ_(x)。此参数具有尺寸效应、应变率效应和静水压效应,但是此参数与应力三轴度的关系表现出应变率无关特性,可为应变率效应的研究提供新的思路。