基于惯性效应测量的低阻抗材料率相关力学行为实验测试方法

Accurately identifying dynamic mechanical properties of rubber-based composite materials in high-temperature environment is the basis of dynamic numerical simulations and structural safety assessments for aircraft landing-gear tire. However, traditional SHPB cannot effectively characterize dynamic mechanical properties of low-impedance materials. The present project is working on developing a novel methodology and related experimental system suitable for high strain rate testing of low-impedance materials. The main works of this project contain three aspects as follows: 1) to develop methodology for identifying anisotropic non-linear constitutive parameters of low-impedance materials, making use of inertial effects. 2) To develop methodology for analyzing strain rate dependence from impact tests of low-impedance specimens with multi-strain-rate structures. 3) To build up experimental system suitable for high-temperature impact tests of low-impedance materials. Using the proposed experimental methodology, it is possible to characterize mechanical properties of low-impedance material at different strain rates from single inertial impact test. Together with a temperature environment box, it enables to systematically investigate temperature and strain rate dependence of low-impedance materials. The progress and achievement of this project will develop a novel experimental methodology for high strain rate testing of low-impedance materials, and will provide the required constitutive equations and basic material properties for numerical simulation of aircraft landing-gear-tire structure as well.

准确表征橡胶基复合材料在高温环境下的动态力学性能是有效开展起落架轮胎着陆过程数值仿真和结构安全性评估的关键，但传统SHPB测试方法无法有效测量低阻抗材料动态力学性能参数。本项目拟发展适用于低阻抗材料的动态力学测试实验方法及系统，研究内容主要包括：1）发展基于惯性效应测量的低阻抗材料各向异性非线性本构参数的识别方法；2）发展基于多应变率结构试样的材料力学行为应变率效应的分析方法；3）研制基于全场变形测量的低阻抗材料高温环境下动态力学性能测试的实验系统。利用项目提出的实验方法，对单个试样进行冲击测试，测量其惯性效应即可反演出多个应变率下的材料非线性动态力学性能，配合温度环境，可系统研究材料力学行为的应变率效应和温度效应。项目的研究成果将为低阻抗材料动态力学性能测试提供新的实验方法，同时也为飞机起落架轮胎结构的仿真建模提供必要的力学模型及基础参数。

准确表征橡胶基复合材料在不同温度下动态力学性能是开展相关结构数值仿真和安全性评估的关键，但传统SHPB测试方法无法有效测量低阻抗材料动态力学性能参数。因此，本项目拟发展适用于低阻抗材料率相关力学性能测试的方法。项目主要实现高应变率工况下低阻抗材料试样动态变形及变形过程中的惯性力（加速度）场的精确测量及材料非线性本构模型参数的识别。实现相应的测试系统，开展对典型低阻抗材料及结构动态力学行为的研究。研究内容主要包括以下三个方面：.1）基于惯性效应测试的低阻抗材料非线性本构参数的识别方法研究. 本内容针对部分低阻抗材料力学性能呈现明显的非线性特点，以超弹性本构模型来描述这类材料的动态本构关系，基于观测得到的动态位移场以及由此得到的应变场和加速度场（惯性力），推导材料试样冲击载荷作用下内力虚功及加速度虚功的表达形式。以内力虚功和加速度虚功之间的残差平方构造目标函数，建立低阻抗材料非线性本构参数的识别框架。用程序实现该优化模型，通过仿真及真实测试对识别方法进行验证。.2）基于多应变率结构试样的材料力学行为应变率效应的分析方法研究. 设计含特殊结构的试样，实现动态加载过程中单个试样变形的多应变率分布。以高阶多项式描述低阻抗材料力学行为的应变率效应模型，基于虚功原理建立材料力学行为应变率效应模型参数的识别框架，实现从单个多应变率结构试样的高应变率测试中识别材料力学行为的应变率效应模型及其参数。用程序实现该识别模型，通过仿真及真实测试对识别框架进行验证，优化试样结构改进参数识别精度。.3）低阻抗材料动态力学性能测试系统的实现及验证. 本部分内容首先研制能够对低阻抗材料试样实施冲击加载的系统，光学动态变形观测系统建立低阻抗材料不同温度环境下的动态冲击测试系统；结合惯性效应及试样结构优化，实现试样动态载荷下的大变形及变形多应变率范围的分布。然后利用该测试系统开展高强度橡胶基复合材料不同温度环境下的动态冲击测试，研究材料动态力学行为的应变率效应及温度效应。. 本项目结合虚场法建立了低阻抗材料动态本构参数的识别方法，整个识别过程无需测量任何外力信息，有效克服了传统SHPB方法针对软材料冲击测试时存在的诸多问题。项目成果将为低阻抗材料动态力学性能测试提供新的实验方法，同时也为相关结构建模仿真提供必要力学模型和基础数据。