動態力學的案例
科技前沿 | 材料動態力學測試——霍普金森桿實驗
在航空、航天、汽車、運輸、包裝及其它軍事和民用領域中，工程材料可能會遇到像高速碰撞、爆炸這樣的沖擊加載情況，了解材料在沖擊加載下的力學響應，有助于各類材料的工程應用和工程設計。
對于材料來說，其在動載下的力學性能和在靜載下的力學性能是不同的。與準靜態實驗相比，進行高應變率下的動態實驗，依然是一個不小的挑戰?；羝战鹕鞂嶒?，對于有效并精確地獲取材料的應變率相關的應力-應變曲線，是非常好的動態實驗方式。
霍普金森桿（Hopkinson bar）是1993年公布的力學名詞。
是一種用于力學、工程與技術科學基礎學科、材料科學、機械工程領域的物理性能測試儀器。
展開 技術研究 | 霍普金森桿在高分子復合材料動態力學性能中的應用
目前工程材料的工作環境往往涉及到爆炸、高速沖擊、切削、高溫、高應變率等極端條件，此時材料的動態力學性能是人們非常關心的一個重要問題。這類載荷作用時間一般較短(微秒乃至納秒)、沖擊強度高,足以引起大變形乃至破壞，所以研究材料在沖擊載荷作用下的力學性能具有重要的工程意義。
一般情況下材料的準靜態的應變率在10-5~10-2 s-1之間，其動態沖擊的高應變率往往在102 ~104 s-1之間，甚至會達到106 s-1(應變率即應變變化的速率，指單位時間產生的應變)。一般材料在準靜態和沖擊載荷下的力學性能存在著較大的差異，即應變率相關性，隨著應變率的增加，慣性效應與研究對象的物理性能（應變率效應）分離開來。下表為各種加載方式所能滿足的加載應變率范圍以及對應力波的影響。
目前，在高應變率沖擊測試中，人們普遍使用的是Hopkinson(霍普金森)桿，霍普金森裝置，英文簡稱 SHP(T)B，應變率范圍 102～104。
SHPB實驗裝置圖
SHPB 實驗的基本原理建立在二個基本假定的基礎上，即一維假定(又稱平面假定)和應力均勻假定。一維假定認為應力波在細長桿的傳播過程中，彈性桿中的每個橫截面始終保持為平面狀態；應力均勻假定認為應力波在試件中反復 2～3個來回，試件中的應力處處相等。由此可利用一維應力式中 C0、A、E、A0、L 分別為彈性桿的波速、橫截面積、彈性模量、試件的橫截面積及原始長度．由此得到試件的動態應力、應變、應變率隨時間變化趨勢，進而在時間尺度上得出三者之間的對應關系。
展開 ：超結構動態水凝膠促進干細胞在三維環境中的力學傳感與分化
因此所得到的兩種主客體水凝膠（分別由CD-ADA和CD-CA結合體交聯）雖然表現出相近的靜態力學特征（如溶脹行為，儲能模量等），但同時展現迥異的動態力學特征（損耗模量），證明由CD-ADA交聯的水凝膠具有更高的動態性質。至關重要的是，在CD-ADA為交聯水凝膠中，干細胞表現出不同尋常的超快三維星狀鋪展（封裝后18小時）。而在CD-ADA為交聯水凝膠中，干細胞的三維鋪展則顯著較慢。這個發現表明主客體超分子水凝膠所含可逆交聯的動力學常數對封裝在水凝膠三維網絡中的干細胞的發育行為有著重要的調控作用。
圖1. 動態超分子水凝膠的構建及其力學性質和細胞鋪展行為。
進一步研究發現，由CD-ADA交聯的具有更高網絡動態性質的水凝膠，除加快細胞三維鋪展行外，還顯著增強干細胞在三維動態水凝膠中的機械力信號轉導，提高了細胞力學傳感轉錄因子YAP的細胞核轉運。通過計算機模擬（分子動力MD，動力學蒙特卡洛算法KMC），該研究也證實了動態水凝膠交聯動力學常數對細胞力學與三維鋪展的影響（圖2）。
圖2. 計算機模擬水凝膠中的動態交聯作用及其在細胞力學作用下的可逆絡合。
此外，該研究也發現，細胞對于動態水凝膠的生物物理動力學特征的感知與反應，也取決于生物大分子網絡結構的細胞黏附特征。只有當RGD通過共價鍵修飾的方式連接于水凝膠網絡中時，細胞的三維鋪展才會顯著受動態交聯性質的影響。而當RGD通過非共價的方式連接于水凝膠網絡中時，細胞則無法感知網絡的動態特性以進行快速三維鋪展（圖3）。
圖3.
展開 我國力學工作者在材料動態失效領域的最新成果
圖4 動態剪切失效過程中的典型事件發生時刻
作者簡介
西工大郭亞洲副教授為本文第一作者，北理工陳浩森副教授、西工大李玉龍教授、北理工方岱寧院士為本文共同通訊作者。西工大阮啟超碩士和北理工朱盛鑫博士參與實驗工作。參與該工作的還有西工大陸佳南碩士生、胡博博士生、吳習徽碩士生和北卡羅來納大學夏洛特分校魏秋明教授。
身邊的力學-羽毛球是如何調頭的？Abaqus/Explicit動態+流固耦合分析 ￥99.9
邊界條件設置
通過Abaqus/Explicit仿真計算得到羽毛球在拍子擊打的瞬間，它的動態變形與運動狀態如下圖所示。
羽毛球受到球拍打擊的瞬間
我們還可以獲得羽毛球的速度曲線與其離拍之后的運動姿態，可以看到羽毛球在離拍的瞬間獲得60m/s的初始速度。
羽毛球上某測點速度曲線
你應該已經注意到了，上面的仿真結果中，羽毛球并沒有調頭啊？是的，我們忽略了一個極其重要的因素：空氣阻力。
由于打擊過程考慮了羽毛球的變形，再考慮流固耦合的話，計算耗時巨大，我們就單純的分析羽毛球姿態變化而言，合理地簡化一下這個過程：
a. 假設羽毛球從接觸到離開網拍的過程中（1ms左右），空氣對羽毛球的離拍速度影響可以忽略不計；
b. 假設離拍后空氣和羽毛球的相互作用過程中，空氣阻力致使羽毛球的變形是極小的，并且對于姿態分析是無關緊要的。
拋去這些次要因素，再通過流固耦合方法來分析羽毛球的姿態變化就簡單多了，在這個分析過程里，羽毛球考慮為剛體，剛體上的拉格朗日網格與空氣域的歐拉網格進行相互接觸。我們以前面的仿真為基礎，取離拍的瞬間，球頭豎直向下、初始速度60m/s，方向水平作為流固耦合分析時羽毛球的初始狀態。
注意，為了節省計算時間，這里僅對羽毛球可能劃過的區域進行空氣域建模，歐拉邊界離相互作用區域比較近，針對這個問題而言，要對所有面設置無反射邊界條件。
羽毛球姿態變化的CEL分析
通過Abaqus/Explicit計算可以得到羽毛球的姿態在空氣阻力作用下，調整為指向球頭的狀態。
展開 奇妙的流體力學動態圖：吹滅火柴都這么美！
流體力學是浪花、爆炸、氣泡、漣漪、云朵和水流等事物的科學。不難理解1967年時，《流體力學雜志》(Journal of Fluid Mechanics)的編輯宣稱自己刊物的宗旨就是要“上相”，他們的“自戀”并不是沒有道理。時至今日，這種“自戀”的風氣依然不減。也正因為如此，在2014年美國物理學會流體力學分會的年度會議上，一項“年度最美科學”的視頻競賽成為了中心議題。此次會議的時間是11月23日到25日，共收到了近100份視頻作品。這些作品涉及的內容五花八門，從日常生活中的各種情景，如小狗喝水、晃動的啤酒和動蕩的云層等，到各種神奇的實驗嘗試。
在任何流體力學研究中，可視化都是十分重要的部分，而且具有與數學證據一樣的地位。科學家鼓勵這一領域的學生選擇有關數據可視化的課程，但絕大部分的訓練都來自實際工作。流體動力學家不可避免地要學會操作高速攝像機，調節光線，利用各種化學反應來獲得最佳的視覺效果。下面讓我們看看一些獲獎作品：
米爾頓·范·戴克獎作品，顯示了一個人吹滅火柴時的氣息流動
米爾頓·范·戴克獎作品，顯示了激光光束擊碎墨滴時的情形
實驗室中制造的翻滾的云，可以看到在面板上凝結的呈六邊形的密集水滴。
電燈泡破碎的瞬間
米爾頓·范·戴克獎作品，液滴振動時的情景
“流體運動圖集”獎的獲獎作品，顯示了飛濺的水花
“流體運動圖集”獎的獲獎作品，顯示了氣泡塌縮時的情形
小狗在喝水的時候會把舌頭向后卷起，像湯匙一樣把水撈進嘴里
展開 超薄電子產品外殼用復合材料動態拉伸力學行為特征及其失效機理研究
然而，該復合材料在服役時極易受到較強的沖擊載荷，因此，掌握纖維增強 PC 復合材料在寬應變率范圍內的力學行為特征和失效機理顯得尤為重要。
本文使用注塑成型工藝制備玻璃纖維增強 PC 復合材料，在 0.001～ 1000 s-1應變率范圍內開展纖維方向不同的玻璃纖維增強PC復合材料的拉伸力學行為實驗研究，并結合掃描電鏡對材料的失效機理進行系統分析。
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樣品制備
實驗采用與商業化電子產品外殼相同的制備工藝——注塑成型，確保材料微觀結構與實際產品一致。材料體系為短玻璃纖維增強PC復合材料，玻璃纖維質量分數為20%，纖維長度控制在0.1-0.2mm。
制備的平板試樣厚度控制在2.0mm，隨后按0°（流動方向）、45°和90°（垂直流動方向）三個方向切割成標準測試試樣，模擬外殼注塑成型后不同位置的纖維取向狀態。
圖2 拉伸試件的加工及試件尺寸（單位：mm）
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評價方法設計
不同應變率下的拉伸實驗均在室溫下進行。
準靜態拉伸實驗在電子萬能材料實驗機上（圖3）開展，試件標距段長度為 7 mm，因此，設置拉伸速率為 0.007 mm/s。
圖3 25t電子萬能試驗機
中應變率拉伸實驗設備為高速拉伸實驗機（圖4），設置拉伸速率為 7 mm/s。
圖4 高速拉伸實驗機
動態拉伸實驗在分離式霍普金森桿裝置（見圖 5）上開展。動態拉伸實驗中，采用高強度粘膠將試件粘貼于入射桿和透射桿之間，氣室中的壓縮氣體推動炮管內圓環管，圓環管撞擊入射桿端部的法蘭盤，在入射桿內部產生拉伸應力波。當應力波傳遞到試件時，部分應力波通過試件標距段后向透射桿傳遞，另一部分應力波則以反射波形式沿入射桿傳回。
展開 動力電池殼用鋁合金高應變高速率拉伸行為及斷裂特性研究
由此，研究鋁合金在應變速率為1s-1～103s-1范圍的動態力學性能，成為新能源汽車安全可靠性仿真與評估的重要參量。
3003鋁合金作為低強度汽車動力電池封裝材料，其動態力學特性成為汽車受撞擊苛刻條件下殼體損傷程度評估，乃至動力電池防泄漏安全設計及管理的關鍵指標，但相關研究鮮有公開報道。本文研究了不同應變速率下3003鋁合金的動態拉伸行為，結合DIC數字圖像技術、掃描電鏡和顯微硬度等，著重分析了動態拉伸過程的變形與斷裂特征，為該材料的應用提供一些參考。
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實驗部分
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不同應變速率拉伸的應力與變形行為
從圖a、b可知，屈服強度和抗拉強度隨應變速率增加呈現兩階段特性，當應變速率小于100 s-1時，屈服強度和抗拉強度隨應變速率增加緩慢增大；當應變速率大于100 s-1時，應變速率的強化作用增大；隨應變速率增加，伸長率也增大。圖1c的流變應力-應變曲線表明，3003鋁合金不僅具有應變速率敏感性，同時塑性隨應變速率提高而增大。
圖2所示為選取圖1a中A-F點應力150N/mm2下和斷裂前的應變云圖，并和斷裂試樣宏觀樣品照片對比。從圖可知，在應力150N/mm2條件下，應變值在標距范圍內近似均勻分布；隨應變速率提高，應變值下降；圖中試樣中央區出現了明顯的應變集中區；隨應變速率的增加，應變集中區影響面積變大。
圖3為材料的應變變化曲線，可見，各個應變速率下試樣的應變值都隨著圖2中虛線A、B點的距離增大而先增大后減小，變形程度隨應變速率增加而增大；如圖a，b，在大塑性變形條件下，橫向應變大于縱向應變；圖d可以看出縱向條件下的應變變化更大，中部區域應變集中度也更高，表明動態拉伸主要作用于縱向。
展開 基于dyna心臟瓣膜動力學仿真分析
從工程力學角度看：心臟是人體血液循環的動力裝置，而心臟瓣膜是能夠控制血液在心動周期內單向流動的控制原件，一旦心臟瓣膜病變或損壞，將危及患者的生命安全。生物瓣膜是挽救病人生命的有效手段。通過有限元方法對生物瓣膜進行動態力學性能分析,所得到的瓣葉在動態載荷下的應力分布更加接近真實情況,是瓣膜設計工作的有益嘗試,這為設計和優化生物瓣膜,提高其耐久性提供重要參考和依據,對生物瓣膜的研制、加工和性能評估工作具有重要的指導作用和現實意義。
1幾何模型及有限元模型
生物瓣膜由三片成軸對稱的瓣葉構成，直接由ansys建難度大，故以PRO/E的格式導入軟件并進行網格劃分,生成動態力學分析的有限元模型。如下圖
2材料參數
生物心臟瓣膜采用的是天然的牛心包或豬主動脈瓣,主要材料為心肌纖維,是一種非線性的粘性材料。結合實際，本文將其近為線性彈性材料,泊松比是0.45，彈性模量為5.4MPa，密度為1.1g/cm3。
3單元類型及算法的選擇
在對瓣膜進行動態載荷分析時,使用的是薄殼單元shell163，血流為流體，采用歐拉算法?？傮w上采用流固耦合算法。瓣葉與血管壁縫合邊,本文假設為全約束條件。瓣葉的自由邊,沒有對其進行約束。
4結果
（1）應力分布
（2）結果動畫
展開 可調節腰椎支撐座椅舒適性非人體測試方案
支撐硬度力學測試
硬度梯度設定：將腰椎支撐硬度劃分為 5 個等級（邵氏硬度 20A-60A），利用機械臂對支撐面施加 100N-300N 的漸變載荷，采集壓力 - 形變曲線。
性能評估：計算支撐材料的彈性模量、滯后損失率等力學參數，理想狀態下要求彈性模量在 10-20MPa，滯后損失率＜15%，以保證支撐的緩沖性能。
（二）動態舒適性測試
1. 振動工況模擬測試
路況參數設定：在動態力學測試平臺上復現三種典型工況：
平坦路面：10Hz 正弦振動，振幅 ±5mm，持續 30 分鐘；
顛簸路面：5-20Hz 隨機振動，加速度 0.5-1.5g，持續 60 分鐘；
減速帶沖擊：單次 50Hz 脈沖振動，峰值加速度 3g，間隔 1 分鐘重復 10 次。
響應指標：通過壓力板分析動態壓力波動范圍（要求波動幅度＜靜態壓力的 20%），利用加速度傳感器測量腰部支撐的共振頻率（理想區間 4-6Hz，避開人體共振區）。
2. 姿態變化耐久性測試
機械臂循環動作：設定座椅姿態變化程序：靠背角度 110°-130° 往復調節（速度 5°/s），腰椎支撐高度 30mm-80mm 周期性變化，連續運行 1000 次循環。
疲勞評估：測試后檢查支撐機構的間隙變化（允許增量＜0.5mm），壓力分布均勻性下降幅度應＜10%，確保長期使用中的支撐穩定性。
（三）個性化適配模擬測試
1. 3D 腰椎曲線擬合測試
模型庫構建：基于 1000 例人體腰椎 CT 數據，建立 5 種典型腰椎曲線數字模型（正常曲度、輕度前凸、扁平腰等），通過 3D 打印技術制作高分子材料腰椎仿真模塊（硬度匹配人體腰椎組織）。
展開 沖擊試驗機能進行哪些性能測試?
動態力學性能輔助分析
沖擊測試可間接反映材料的動態力學性能，如沖擊吸收能量（材料斷裂前吸收的總能量）、沖擊韌性（沖擊吸收能量與試樣橫截面積的比值）等，為材料的動態加載應用（如機械傳動、碰撞防護）提供數據支持。
總結
沖擊試驗機的核心功能是模擬材料在高速、瞬間載荷下的力學響應，通過不同測試方式（常溫 / 低溫、缺口 / 無缺口、不同沖擊模式），全面評估材料的抗沖擊強度、韌性、脆性、缺口敏感性等性能，是材料篩選、產品質量控制、工程設計驗證的關鍵設備。
北京沃華慧通測控技術有限公司產品服務范圍涵蓋 3C檢測、智能汽車檢測及機器人生態等多個檢測領域，致力于提供一站式、定制化的測試解決方案。如有需求，歡迎交流。
展開 
變摩擦系數下的鋁合金板材沖壓成形無網格法數值模擬
本研究中，基于試驗測試得到了汽車用鋁合金板材的準靜態、動態力學性能及成形變摩擦系數，考慮鋁合金板材的各向異性選取計算精度更高的EFG法對鋁合金板材汽車引擎蓋內板沖壓成形過程進行了模擬，并開發出沖壓模具，進行了實際沖壓試驗。對比分析數值模擬及實際沖壓結果發現，鋁合金板材汽車引擎蓋內板沖壓件在主要成形區域成形性能較好，在邊角部相同區域出現波紋狀起皺，兩者吻合度較高，表明本文研究得到的鋁合金板材準靜態、動態力學性能及變摩擦系數是準確的，采用變摩擦系數及無網格法計算的仿真結果能較為準確的預測鋁合金板材的沖壓成形性能。
《Materials Horizons》報道可回收再聚合的 “硫醇-X”光聚合物
圖文速遞
圖1（A）通過硫醇-烯烴聚合和硫醇-硫酯動態降解、再循環和再聚合的反應方案；（B）單體、引發劑的化學結構。
表1 通過過量PETMP和三乙胺降解PETMP-TEDAE聚合物的低聚物分析。低聚物1,2和3分別通過用5、7和9當量的PETMP降解獲得。
圖2 原始PETMP-TEDAE聚合物和再生聚合物的化學和機械特性。（A）單體、原始聚合物、降解的低聚物、再生聚合物的FT-IR圖；（B）原始單體混合物和各種低聚物與TEDAE的反應動力學曲線；（C）原始和再生聚合物的動態力學分析（DMA）；（D）原始和再生聚合物的拉伸應力-應變曲線。
表2 利用不同結構的硫醇單體與TEDAE形成聚合物網絡（降解條件：在環境溫度下，用具有特定化學計量數的各硫醇單體、三乙胺、丙酮共同處理聚合物3小時）。
圖3（A）二氧化硅顆粒填充復合材料的動態力學分析（含50wt％和60wt％二氧化硅顆粒的樣品在8mW cm-2@365nm的照射下聚合5分鐘）；（B）原始和再生PETMP-TEDAE聚合物的接觸液體光刻的圖像。
全文鏈接：
http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2018/MH/C8MH00724A#!divAbstract
來源：高分子科學前沿
展開 尼龍吸水后對性質的影響!
聚己內酰胺和聚己二酸己二胺（尼龍6和尼龍66）是最常用的聚酰胺材料，它們最高能從潮濕空氣中吸收 質量分數10%的水分，在一般濕度環境下也能吸收 質量分數2%到4%的水分，導致多種 力學性能的變化。
（PA6和PA66吸水性明顯高出其他材料）
尼龍吸水后對性質的影響
以尼龍6和尼龍66為例。尼龍6/66吸水之后，多種性質發生變化，而且許多性質的改變和吸水量有關系。
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結晶度和晶體結構
對尼龍6/66的晶體學研究發現，尼龍6/66都是半結晶性材料，成型后都含有晶區和非晶區。在晶區，分子鏈呈平面鋸齒構象，通過酰胺鍵在鏈與鏈之間形成氫鍵。在非晶區，分子鏈構象呈無規狀，大多數酰胺鍵沒有相互作用形成氫鍵，呈“自由”狀態，但不排除少數區域形成了局部的氫鍵。
早期的研究中，尼龍結晶度常通過密度來估算。尼龍6/66的密度比水大，吸水后，這兩種材料的密度反而上升，結晶度也上升。經過拉伸取向的尼龍6/66材料常含有部分γ-晶。研究發現， 吸水后尼龍材料的γ-晶比例減少，而更穩定的α-晶比例增大。
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力學性能和分子運動
尼龍吸水后在力學性能上的變化很明顯。 最主要是硬度、模量和拉伸強度下降、屈服點降低、沖擊強度增加。
尼龍6/66的分子運動研究有核磁共振、動態力學松弛和介電損耗等方法，研究尼龍6/66材料吸水前后的轉變發現，其玻璃化轉變溫度（Tg）對水分比較敏感，吸水之后，Tg大幅下降。例如，尼龍6水含量為0.35%w/w時Tg=94℃，10.33%w/w時Tg=-6℃；干燥尼龍66Tg=78℃，當含水量為11%w/w時Tg=40℃。同時發現， Tg隨吸水量增加而下降的過程具有階段性。起始下降迅速；當吸水質量分數超過一定值之后，下降緩慢。
綜合各文獻報道，該臨界值約在2%~4%。
展開 高應變速率和準靜態力學拉伸性能有什么不同？如何準確選擇測試設備？
基于高速液壓伺服試驗機的材料動態拉伸試驗是獲得中低應變率力學性能的主要手段，但如何獲得材料的動態拉伸載荷、動態應變，以及失效過程的熱耗散數據是試驗測試的關鍵。就像飛機在服役過程中結構可能會遭受鳥撞、應急墜撞等沖擊載荷的作用，如飛機機頭和機翼結構是飛鳥、冰雹等外來物沖擊的密切關注部位，飛機機體下部結構則需進行抗墜撞設計以提高其適墜性。飛機結構在沖擊載荷作用下，材料的力學行為相較準靜態加載需考慮應變率效應的影響，即隨著加載應變率的提高，材料往往呈現出一定的應變率敏感性。以往研究表明，高強度材料的強度極限和失效應變等參數隨著應變率的提高會發生顯著變化，因此，為準確進行飛機結構的抗沖擊設計和分析，需通過試驗手段獲得材料的動態力學性能參數。
一般而言，應變率范圍10-1s-1～103s-1為中低應變率狀態，處于該范圍左右兩端之外的則分別為準靜態和高應變率狀態。需要說明的是在不同的應變率范圍，需匹配不同的試驗設備進行力學性能測試，如圖1所示，如準靜態范圍一般通過常規的靜態試驗機，中低應變率范圍則一般通過高速液壓伺服試驗機，而高應變率范圍則一般采用霍普金森桿試驗裝置。相較而言，中低應變率范圍內的材料動態力學性能測試方法尚沒有準靜態和高應變率下的測試方法成熟，主要體現為基于高速液壓伺服試驗機的材料中低應變率動態拉伸試驗相對較少，在關鍵試驗參數測試、試驗數據處理等方面有待進一步形成共識。
圖1 典型材料在不同應變率范圍的試驗裝置
高速拉伸試驗機
霍普金森桿
材料的動態應變測試
材料力學性能試驗中應變測試的常規方法包括應變電測法和引伸計測量方法。但受限于常規應變片使用量程的限制，無法測量材料的塑性變形全過程。而材料動態拉伸試驗為瞬態破壞過程，傳統機械引伸計易發生損壞也不適用。
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