横向惯性对脆性材料动态损伤演化及断裂失效性能影响的研究

已有的实验观察与数值模拟表明横向惯性约束对脆性材料动态损伤演化及断裂失效发挥着重要作用。本课题采用实验测量与理论分析相结合的方法研究脆性材料在动态载荷作用下横向惯性约束对损伤演化及断裂破碎的影响机理。通过应变片测量配合高速摄影观察研究横向惯性约束随动态载荷作用的演化规律以及横向惯性约束对脆性材料损伤演化和断裂破碎模式的产生与发展的影响。由于脆性材料的动态损伤演化及断裂破碎机理极其复杂，理论上重点研究横向惯性对微裂纹的产生与扩展的影响，以更深入理解和认识脆性材料的动态损伤演化及断裂破碎机理。通过本课题的研究希望能从横向惯性约束角度进一步揭示脆性材料动态损伤演化与断裂失效的破坏机理，为提高脆性材料抗冲击性能提供理论依据。

霍普金森压杆（SHPB）实验中，材料试件在轴向动态压缩载荷作用下，横向产生惯性变形。由于试件两端受到与杆端面接触的摩擦作用，限制其惯性变形,从而影响到材料试件的测试精度。本研究根据申请项目的研究内容选取了三种不同属性的脆性材料（有机玻璃（PMMA）,大理石和玻璃）研究他们在动态加载条件下，横向惯性对他们的动态响应的影响。受到现有实验条件的限制，本项目研究希望通过一些简单实验来揭示SHPB实验中的横向惯性效应。为考察横向惯性的影响，选用不同直径和长度的圆柱形试件测试他们的SHPB动态响应，研究分析端面摩擦对试件动态强度的影响，揭示横向惯性对试件动态强度与断裂破碎的影响。实验结果表明，不同脆性材料试件中，横向惯性效应对脆性材料的动态响应的作用有着本质的差异。通过对有机玻璃(PMMA)与大理石圆柱试件的SHPB测试，发现他们的动态响应强度与断裂破碎模式展示了完全不同的动态响应特征， 但横向惯性效应在这两种不同脆性材料中的作用明显，对他们的动态响应有着重要影响。实验结果表明，脆性材料的率敏感性来自于横向惯性效应。为进一步深刻了解和认识横向惯性对SHPB实验试件动态响应的影响，我们还选用了典型的脆性材料（玻璃），并制成平板方形实验试件研究他们的动态响应及破碎模式。为避免端面摩擦对试件横向惯性作用的影响，试件宽度均大于实验用的霍普金森的压杆直径以考察横向惯性对与压杆无接触部分的影响。实验结果表明，无接触部分的破碎模态由剪力和横向惯性共同作用，并随加载应变率的不同而呈现不同的破碎模态，展示出较为强烈的横向惯性效应。高强度脆性材料玻璃的破碎主要由剪切裂纹及横向惯性裂纹组成。此外我们还考察了波形修正垫片对SHPB实验结果的影响。在实验研究的基础上，我们对SHPB实验试件的动态响应进行了理论模拟，理论结果表明SHPB试件的动态响应应变率与试件的损伤演化具有完全一致的变化趋势，说明了加载惯性对试件损伤演化过程的决定性作用。与此同时我们还在理论上考察了泊松效应对动态响应的影响。