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材料在高应变率下的率型动态行为的研究是力学界和材料学界共同的研究热点。但由于应力波效应和应变率效应之间的耦合关系使问题变得十分复杂。目前,或者采用应力波效应和应变率效应解耦的方法(如SHPB技术),或者采用由波传播信息来反推材料本构关系的方法(解反问题)来解决这一问题。
在采用第二种方法时,就测试技术而言,以测量速度类型的力学量最为方便。本课题的研究工作,就是用基于质点速度波形测量的拉格朗日分析方法来研究率型材料的动态力学性能,包括以下三方面的研究:
首先,采用钕铁硼强磁材料研制了新型磁电式粒子速度计,经检测标定,其磁感应强度高于前人文献所报道的性能,测量粒子速度的灵敏度更高。
其次,对Fowles等人提出的传统的Langrangian分析方法,从理论分析和数值模拟两方面相结合作了检验分析。指出从实测的质点速度波形来求应力波形时,实测的应力边界是不可缺少的。否则即使采取各种方法来改进数值处理精度,因反演缺少充分条件,仍不能保证其正确可靠。对已知本构关系的有机玻璃(PMMA)材料的正问题和反问题的数值分析,也充分证实了这一点。在此基础上,提出了新的“1S +nV”的拉氏分析方法,并通过对于以尼龙为代表的率型材料长杆试件的冲击实验研究,证实了这一方法的正确性。
最后,鉴于拉氏分析只提供了率型材料的质点速度波形,应力波形和应变波形相互之间的推算方法,但并不直接确定材料的率型本构关系,本论文研究并建立了拉氏分析与ZWT率型本构模型之间的定量关系。为一大类遵循ZWT模型的率型材料(如高聚物,高聚物基复合材料和混凝土类材料等),建立了一个由拉氏分析来直接确定动态本构关系参数的新途径。
本项研究获得国家自然科学重点基金(No.10032010)和中国工程物理研究院专项科研基金的资助。