应力波在粘弹性杆中的衰减弥散机制及全塑料SHPB技术研究

The research on dynamic responses of rubber 、 foam 、 musclature and any other low wave impedance materials under impact load has become the common focus in mechanics, material science and engineering field. To deal with the mismatch between metal wave-guiding rod and low wave impedance material in conventional SHPB experiment, a lot of researchers have paid much attention on the SHPB technique of viscoelastic rod, which can avoid the mismatch between metal wave-guiding rod and low wave impedance materials. Through mechanical experimental research and micro-analysis of amorphous ploymer and hypocrystalline ploymer, the constitutive model with explicit physical mechanisms is established. Considering the interaction mechanism between stress wave and polymer molecular chain, the attenuation and dispersion mechanism of stress wave in the viscoelastic rod will be studied through the experiment and simulation. Based on these researches,this project will designand establishe an utility SHPB system echnique of full plastic viscoelastic rod and data analyzing platform. Using establised experimental system and data analyzing platform, researcher can investigate the dynamic characteristic of rubber 、foam and any other low wave impedance material, and obtain the dynamic mechanical properties. The development of new experimental technique and studys on microscopic design and constitutive model of low wave impedance material has important academic significance, and also makes an project practical value for the civil-military field.

橡胶、泡沫、肌肉组织等低波阻抗材料在冲击载荷下动态力学响应是冲击力学、材料科学及工程界共同关注的研究热点，由于金属波导杆与这类试件的波阻抗严重不匹配，使得传统SHPB实验技术对这类材料已不适用，为此，国内外学者高度重视粘弹性杆SHPB实验技术的研究。本项目拟通过对无定形聚合物、半结晶聚合物材料的力学性能进行系统的研究，通过试验研究和微观分析，建立其具有明确物理机制的加本构模型，为粘弹性杆材料的选取提供技术指导；从应力波与聚合物分子链的相互作用机理出发，采用试验和数值仿真相结合的方法来研究应力波在粘弹性杆中传播时的衰减和弥散机制，采用小波分析技术研究应力波在粘弹性杆中的传播规律；在此基础上，建立实用的全塑料粘弹性SHPB实验系统和数据处理平台，开展对橡胶、泡沫等低波阻抗材料动态特性实验研究，获得其动态力学性能，这无论是对发展新的实验技术，还是低波阻抗材料的本构关系研究都具有重要的学术意义

通过不同杆径、不同撞击速度下应力波在四种粘弹性杆（PC、PMMA 、nylon66和PE）传播实验研究，获得了应力波在四种粘弹性杆中传播的波形、群速度以及中心频率与衰减系数和群速度之间的关系，频率较低时四种材料的群速度都有上升的趋势，并且在高频部分（高于3000Hz）有所差异，不同杆径的群速度在低频增长段数值并不一致。杆径相同的情况下，不同撞击速度对群速度的影响不大，聚合物材料结构是影响波传播的主要因素。波的弥散效应随着杆件直径的增加而增加，波的衰减则随着波传播距离的增加而显著增加。. 建立了应力波在粘弹性杆中传播特性分析的小波分析方法，确定了分析应力波在粘弹性杆中传播的截止频率，研究了小波包分解的过程中同时对信号的低频和高频部分精细分割特点，并从各结点的功率谱密度频率范围论证了结点顺序和频带顺序满足Gray码转换关系。最终构建了粘弹性杆波形分析与预测的仿真平台，可以直接用于粘弹性SHPB的实验数据处理。. 采用经典分子动力学方法，结合不同的分子模型，开展聚乙烯(PE)、尼龙(Nylon)、有机玻璃(PMMA)和聚碳酸酯(PC)四种材料力学性能的分子的模拟研究，获得了高速冲击压缩载荷作用下聚合物中的应力波传播规律，以及聚合物分子链在不同冲击波速下的力学响应，从分子运动的角度进一步分析了应力波在黏弹性聚合物材料中衰减和弥散机理。. 实验研究四种典型聚合物材料在不同温度、不同应变率下的力学性能，获得了温度和应变率对PC、PMMA、PA和PE材料力学性能的影响规律；确定了描述无定型和半结晶聚合物材料的本构模型，采用实验与数值模拟方法相结合，研究了PMMA的层裂和聚合物弹丸的穿甲过程，实验和数值模拟结果一致；实现软材料的高应变率大变形的动态压缩力学性能测试，证明建立的低阻抗SHPB实验技术可用于研究泡沫、橡胶、塑料等材料动态力学性能。