高應變率力學
關注創建者：匿名 創建時間：2025-12-01
高應變率力學的實例教程
利用布拉格衍射法同時確定了彈性應變狀態。實驗的時間尺度直接可與MD模擬中實現的時間尺度進行比較。飛秒分辨率原位超細-SAXS定量表征了高應變速率的散裂破壞，彌補了WAXS的缺陷，具有重要的應用價值。這項工作展示了，可以在XFEL源上進行的科學范圍的擴展，并提供了對動態高應變率破壞過程中第一個定量測定。（文：水生）
在汽車進行結構設計、選材過程中，需要對汽車碰撞過程進行模擬，而車用材料在不同應變速率下的應力－應變曲線是汽車碰撞模擬成功的關鍵。材料在高應變速率下的應力－應變曲線常由高速拉伸試驗機測得，而目前高速拉伸測試面臨很多問題，如載荷震蕩嚴重、慣性力影響、系統阻尼比(ζ)較小等。這些因素都嚴重影響高速拉伸測試的準確性。而解決這些問題的方法之一是選擇合適類型的樣條。目前國際上關于高速拉伸測試的樣條的類型并沒有統一，也沒有相關資料進行研究。現選取3種不同類型的樣條，研究樣條的類型對汽車用PP在不同應變速率下測試結果的影響。
試驗部分
Experimental part
1.1 試驗設備參數與樣條類型
國高材分析測試中心高應變率測試系統
設備參數： 拉伸速度 0.01~12. 00m/s , 最大 載荷 25 kN , 可測試溫度-40~150℃ 。
應變測量方式：橫梁位移或非接觸式引伸計。
樣條類型： GB1040—20061A 樣條、 1BA 樣 條 、 S3A樣條 。
1.2 不同應變速率下的應力－應變測試
通常材料在0.01，0.10，1.00，10.00，100.00s^-1下的應力－應變曲線是計算機輔助工程(CAE)模擬分析所必需的。然而制備成不同類型樣條的材料在不同應變速率下反應的力學行為是不同的。針對這種情況，選取1BA，1A，S3A樣條進行在0.01，0.10，1.00，10.00，100.00s^-1的應變速率進行試驗，研究不同樣條類型PP樣條在不同應變速率下動態力學行為。測試曲線如圖1~3所示。
展開 文章題目：《Strain rate effect of high purity aluminum single
crystals: Experiments and simulations》
文章doi：10.1016/j.ijplas.2014.10.002
推薦理由：作者研究了高純鋁不同應變率下單晶塑性變形的取向依賴性，不同應變率下的流動應力情況通過Laue Back-Reflection 技術測量，并提出了兩類單晶本構模型用于預測單晶不同應變率的應力響應的能力，研究表明，相較于傳統的單晶冪律流動模型，所提出的另外的唯象和位錯密度模型很好捕捉了應變率效應，提出的唯象模型參數少，便于擬合，物理模型參數更多，但物理意義更明確，這在捕捉單晶多滑移系開動時提供了更準確的預測（更接近實驗結果）。
展開 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。
展開 近日，南方科技大學機械與能源工程系副教授葛锜團隊和西北工業大學副教授張彪團隊在Advanced Materials合作發表論文，報道一種用于光固化4D打印的超高力學性能形狀記憶高分子材料。這種新材料在橡膠態斷裂應變超過1240%，在150%-250%的應變區間可以重復加載超10000次。此外，其優異的光聚合性能使其成為數字光處理（Digital Light Processing - DLP）4D打印的理想材料，最高打印精度2微米，在智能家居、航空航天和軟體機器人領域應用潛力非常大。該項研究被Advanced Materials后內封面重點報道。
4D打印是一種新興的制造技術，它能夠使打印出來的三維結構的形狀在外界環境刺激下隨時間變化。與用于4D打印的其他主動軟材料（Soft Active Materials -SAMs）相比，形狀記憶高分子（Shape Memory Polymers - SMPs）具有更高的剛度，并且能與各種3D打印技術兼容。其中，采用DLP 3D打印技術打印可光固化SMP，可以制造具有復雜幾何形狀和高分辨率的4D打印結構。然而，現有可光固化SMP在力學性能方面具有局限性（伸長率偏低、抗疲勞性能差等），這極大地限制了它們的應用范圍。因此，亟需發展可承受大變形且具備抗疲勞能力的光固化SMP，以滿足工程應用中對4D打印智能材料力學性能的高要求。
圖 1. 超高力學性能的tBA AUD SMP用于基于DLP 3D打印技術的4D打印
聯合研究團隊合作開發出了一種超高力學性能可光固化SMP體系。該材料體系主要由丙烯酸叔丁酯（tBA）和脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯（AUD）組成，故稱為tBA-AUD SMP體系。
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聚丙烯(PP)適于制作一般機械零件、耐腐蝕零件和絕緣零件。近年來，越來越多汽車制造商選擇PP作為汽車保險杠、防擦飾條、門內柱及車門護板等汽車部件。在汽車進行結構設計、選材過程中，需要對汽車碰撞過程進行模擬，而車用材料在不同應變速率下的應力－應變曲線是汽車碰撞模擬成功的關鍵。材料在高應變速率下的應力－應變曲線常由高速拉伸試驗機測得，而目前高速拉伸測試面臨很多問題，如載荷震蕩嚴重、慣性力影響、系統阻尼比
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本文試著去模擬一個結構方向同學經常遇到的一個工況，霍普金森壓桿（SHPB）實驗，對于測量混凝土材料在高應變率下的力學特性有很大的參考價值。因為我這里也沒有看過這方面的實驗，僅從有限的資料大概理解其邊界設置，利用有限差分和離散元耦合來實現SHPB壓桿模擬，希望能給各位有一定的參考價值。
導電油墨主要由導電粒子（如金屬或碳基顆粒）和溶劑介質組成，作為柔性電子和可穿戴電子器件的一種重要基礎原料，已被報道廣泛用于能量存儲、電磁 屏蔽、焦耳加熱等領域。然而，傳統導電油墨往往存在與基底結合力弱、導電粒子分散需要使用大量有機溶劑、電導率不夠高等問題，限制了其在很多領域的進一步應用。
針對主流沖擊測試系統的核心組件載荷傳遞路徑，通過分析中高應變率沖擊力學性能測試中載荷信號振蕩失真的根源（圖11），我們發現，載荷信號與測試過程中的載荷輸入、試樣形式、夾持方式和測量裝置密切相關，進而揭示了夾具和測量組件的質量、剛度和阻尼對系統振蕩的影響規律，提出了通過調整載荷測量環節固有頻率消除系統振蕩的關鍵思路，將被測對象（材料試件）納入到沖擊測試力學系統中，提出了集成載荷傳感器的輕型夾具工裝設計方法
近日，南方科技大學機械與能源工程系副教授葛锜團隊和西北工業大學副教授張彪團隊在Advanced Materials合作發表論文，報道一種用于光固化4D打印的超高力學性能形狀記憶高分子材料。這種新材料在橡膠態斷裂應變超過1240%，在150%-250%的應變區間可以重復加載超10000次。此外，其優異的光聚合性能使其成為數字光處理（Digital Light Processing -
編輯推薦：理解材料的高應變率變形及失效具有重要意義，是理解材料破壞的必要條件，更是建立和驗證材料破壞本構模型的必要條件。但是由于速度太快難以用實驗來量化材料的演變。本文將銅箔通過皮秒激光燒蝕快速應變（0.5×10^9 /s），并利用飛秒X射線自由電子(XFEL)脈沖進行了原位探測，首次定量描述了材料在高應變率條件下的失效過程。結果表明，最終破壞是通過空洞成核、長大和合并發生的，與分子動力學模擬的結
會議的主題涵蓋了應力應變與變形測量、微納米尺度下的材料力學性能、生物及復合材料力學性能、動態及沖擊響應模式及高應變率下材料的力學行為等多個方面。
開幕式由西北工業大學航空學院索濤教授主持，臺灣成功大學羅育龍教授代表亞洲實驗力學組委會對與會代表表示熱烈歡迎，西北工業大學副校長萬小鵬教授代表西北工業大學致歡迎詞。
