高應(yīng)變率力學(xué)的案例
《Science》子刊重磅：首次定量描述材料高應(yīng)變率下的失效過(guò)程！
利用布拉格衍射法同時(shí)確定了彈性應(yīng)變狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)的時(shí)間尺度直接可與MD模擬中實(shí)現(xiàn)的時(shí)間尺度進(jìn)行比較。飛秒分辨率原位超細(xì)-SAXS定量表征了高應(yīng)變速率的散裂破壞，彌補(bǔ)了WAXS的缺陷，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。這項(xiàng)工作展示了，可以在XFEL源上進(jìn)行的科學(xué)范圍的擴(kuò)展，并提供了對(duì)動(dòng)態(tài)高應(yīng)變率破壞過(guò)程中第一個(gè)定量測(cè)定。（文：水生）
技術(shù)分享 | 樣條類型對(duì)汽車用PP高應(yīng)變率測(cè)試的影響
在汽車進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材過(guò)程中，需要對(duì)汽車碰撞過(guò)程進(jìn)行模擬，而車用材料在不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線是汽車碰撞模擬成功的關(guān)鍵。材料在高應(yīng)變速率下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線常由高速拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)得，而目前高速拉伸測(cè)試面臨很多問(wèn)題，如載荷震蕩嚴(yán)重、慣性力影響、系統(tǒng)阻尼比(ζ)較小等。這些因素都嚴(yán)重影響高速拉伸測(cè)試的準(zhǔn)確性。而解決這些問(wèn)題的方法之一是選擇合適類型的樣條。目前國(guó)際上關(guān)于高速拉伸測(cè)試的樣條的類型并沒(méi)有統(tǒng)一，也沒(méi)有相關(guān)資料進(jìn)行研究。現(xiàn)選取3種不同類型的樣條，研究樣條的類型對(duì)汽車用PP在不同應(yīng)變速率下測(cè)試結(jié)果的影響。
試驗(yàn)部分
Experimental part
1.1 試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)與樣條類型
國(guó)高材分析測(cè)試中心高應(yīng)變率測(cè)試系統(tǒng)
設(shè)備參數(shù)： 拉伸速度 0.01~12. 00m/s , 最大 載荷 25 kN , 可測(cè)試溫度-40~150℃ 。
應(yīng)變測(cè)量方式：橫梁位移或非接觸式引伸計(jì)。
樣條類型： GB1040—20061A 樣條、 1BA 樣 條 、 S3A樣條 。
1.2 不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力－應(yīng)變測(cè)試
通常材料在0.01，0.10，1.00，10.00，100.00s^-1下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線是計(jì)算機(jī)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(yīng)變速率下反應(yīng)的力學(xué)行為是不同的。針對(duì)這種情況，選取1BA，1A，S3A樣條進(jìn)行在0.01，0.10，1.00，10.00，100.00s^-1的應(yīng)變速率進(jìn)行試驗(yàn)，研究不同樣條類型PP樣條在不同應(yīng)變速率下動(dòng)態(tài)力學(xué)行為。測(cè)試曲線如圖1~3所示。
展開 基于Abaqus的高純鋁不同應(yīng)變率下單晶塑性變形的取向依賴性研究
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(yīng)變率下單晶塑性變形的取向依賴性，不同應(yīng)變率下的流動(dòng)應(yīng)力情況通過(guò)Laue Back-Reflection 技術(shù)測(cè)量，并提出了兩類單晶本構(gòu)模型用于預(yù)測(cè)單晶不同應(yīng)變率的應(yīng)力響應(yīng)的能力，研究表明，相較于傳統(tǒng)的單晶冪律流動(dòng)模型，所提出的另外的唯象和位錯(cuò)密度模型很好捕捉了應(yīng)變率效應(yīng)，提出的唯象模型參數(shù)少，便于擬合，物理模型參數(shù)更多，但物理意義更明確，這在捕捉單晶多滑移系開動(dòng)時(shí)提供了更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)（更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果）。
展開 斷裂應(yīng)變超過(guò)1240%！光固化4D打印超高力學(xué)性能形狀記憶高分子材料
近日，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系副教授葛锜團(tuán)隊(duì)和西北工業(yè)大學(xué)副教授張彪團(tuán)隊(duì)在Advanced Materials合作發(fā)表論文，報(bào)道一種用于光固化4D打印的超高力學(xué)性能形狀記憶高分子材料。這種新材料在橡膠態(tài)斷裂應(yīng)變超過(guò)1240%，在150%-250%的應(yīng)變區(qū)間可以重復(fù)加載超10000次。此外，其優(yōu)異的光聚合性能使其成為數(shù)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(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用潛力非常大。該項(xiàng)研究被Advanced Materials后內(nèi)封面重點(diǎn)報(bào)道。
4D打印是一種新興的制造技術(shù)，它能夠使打印出來(lái)的三維結(jié)構(gòu)的形狀在外界環(huán)境刺激下隨時(shí)間變化。與用于4D打印的其他主動(dòng)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(shù)兼容。其中，采用DLP 3D打印技術(shù)打印可光固化SMP，可以制造具有復(fù)雜幾何形狀和高分辨率的4D打印結(jié)構(gòu)。然而，現(xiàn)有可光固化SMP在力學(xué)性能方面具有局限性（伸長(zhǎng)率偏低、抗疲勞性能差等），這極大地限制了它們的應(yīng)用范圍。因此，亟需發(fā)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(yīng)用中對(duì)4D打印智能材料力學(xué)性能的高要求。
圖 1. 超高力學(xué)性能的tBA AUD SMP用于基于DLP 3D打印技術(shù)的4D打印
聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)出了一種超高力學(xué)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。
展開 
高應(yīng)變速率和準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)拉伸性能有什么不同？如何準(zhǔn)確選擇測(cè)試設(shè)備？
基于高速液壓伺服試驗(yàn)機(jī)的材料動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)是獲得中低應(yīng)變率力學(xué)性能的主要手段，但如何獲得材料的動(dòng)態(tài)拉伸載荷、動(dòng)態(tài)應(yīng)變，以及失效過(guò)程的熱耗散數(shù)據(jù)是試驗(yàn)測(cè)試的關(guān)鍵。就像飛機(jī)在服役過(guò)程中結(jié)構(gòu)可能會(huì)遭受鳥撞、應(yīng)急墜撞等沖擊載荷的作用，如飛機(jī)機(jī)頭和機(jī)翼結(jié)構(gòu)是飛鳥、冰雹等外來(lái)物沖擊的密切關(guān)注部位，飛機(jī)機(jī)體下部結(jié)構(gòu)則需進(jìn)行抗墜撞設(shè)計(jì)以提高其適墜性。飛機(jī)結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下，材料的力學(xué)行為相較準(zhǔn)靜態(tài)加載需考慮應(yīng)變率效應(yīng)的影響，即隨著加載應(yīng)變率的提高，材料往往呈現(xiàn)出一定的應(yīng)變率敏感性。以往研究表明，高強(qiáng)度材料的強(qiáng)度極限和失效應(yīng)變等參數(shù)隨著應(yīng)變率的提高會(huì)發(fā)生顯著變化，因此，為準(zhǔn)確進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)的抗沖擊設(shè)計(jì)和分析，需通過(guò)試驗(yàn)手段獲得材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)。
一般而言，應(yīng)變率范圍10-1s-1～103s-1為中低應(yīng)變率狀態(tài)，處于該范圍左右兩端之外的則分別為準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率狀態(tài)。需要說(shuō)明的是在不同的應(yīng)變率范圍，需匹配不同的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，如圖1所示，如準(zhǔn)靜態(tài)范圍一般通過(guò)常規(guī)的靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)，中低應(yīng)變率范圍則一般通過(guò)高速液壓伺服試驗(yàn)機(jī)，而高應(yīng)變率范圍則一般采用霍普金森桿試驗(yàn)裝置。相較而言，中低應(yīng)變率范圍內(nèi)的材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試方法尚沒(méi)有準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率下的測(cè)試方法成熟，主要體現(xiàn)為基于高速液壓伺服試驗(yàn)機(jī)的材料中低應(yīng)變率動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)相對(duì)較少，在關(guān)鍵試驗(yàn)參數(shù)測(cè)試、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等方面有待進(jìn)一步形成共識(shí)。
圖1 典型材料在不同應(yīng)變率范圍的試驗(yàn)裝置
高速拉伸試驗(yàn)機(jī)
霍普金森桿
材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試
材料力學(xué)性能試驗(yàn)中應(yīng)變測(cè)試的常規(guī)方法包括應(yīng)變電測(cè)法和引伸計(jì)測(cè)量方法。但受限于常規(guī)應(yīng)變片使用量程的限制，無(wú)法測(cè)量材料的塑性變形全過(guò)程。而材料動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)為瞬態(tài)破壞過(guò)程，傳統(tǒng)機(jī)械引伸計(jì)易發(fā)生損壞也不適用。
展開 東華大學(xué)葉長(zhǎng)懷/廖耀祖ACS AMI：基于生物可再生原料制備高電導(dǎo)率水性導(dǎo)電油墨用于電磁屏蔽、焦耳加熱和應(yīng)變傳感
然而，傳統(tǒng)導(dǎo)電油墨往往存在與基底結(jié)合力弱、導(dǎo)電粒子分散需要使用大量有機(jī)溶劑、電導(dǎo)率不夠高等問(wèn)題，限制了其在很多領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。
近日，東華大學(xué)朱美芳院士團(tuán)隊(duì)葉長(zhǎng)懷、廖耀祖研究員基于生物可再生原料殼聚糖（chitosan）與二元酸在水中形成生物基有機(jī)鹽溶液，與銀納米線復(fù)合制備了一系列超高電導(dǎo)率的水性導(dǎo)電墨水（圖1），為綠色制備高電導(dǎo)率、高耐久性導(dǎo)電復(fù)合涂層提供了一種通用方法。
圖 1 SA-chitosan生物基有機(jī)鹽、導(dǎo)電墨水、導(dǎo)電涂層的制備流程圖
水性的生物基SA-chitosan有機(jī)鹽涂層在簡(jiǎn)單的加熱后形成高度交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，賦予導(dǎo)電復(fù)合涂層良好的耐熱和耐溶劑性，使其有望在惡劣環(huán)境中使用。導(dǎo)電粒子AgNW 嵌入高度交聯(lián)的SA-chitosan聚合物基體中，該聚合物基體一方面隔絕導(dǎo)電粒子與外界環(huán)境的接觸減緩AgNW的氧化（圖2），另一方面可增強(qiáng)與基底材料的粘附力，如在反復(fù)剝離試驗(yàn)后仍保持優(yōu)異的電導(dǎo)率（圖3）。
圖 2. 導(dǎo)電復(fù)合涂層的電導(dǎo)率及耐高溫、耐有機(jī)溶劑特性
圖 3. 導(dǎo)電涂層抗反復(fù)彎曲、折疊、剝離特性
由于導(dǎo)電復(fù)合涂層超高的電導(dǎo)率，厚度僅為 10 μm 的 SA-chitosan/AgNWs 涂層具有 高達(dá)73.3 dB 電磁屏蔽 (EMI) 效能（圖4）。他們將這種導(dǎo)電油墨用來(lái)制備功能性導(dǎo)電織物，這種織物表現(xiàn)出優(yōu)異的電磁屏蔽（圖5）、焦耳加熱（圖6）和應(yīng)變傳感性能（圖7）。
展開 SHPB霍普金森桿K文件 ￥1.99
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分離式霍普金森桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)是研究中高應(yīng)變率下材料力學(xué)性能的最主要、可靠的實(shí)驗(yàn)方法，是爆炸與沖擊動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的重要組成部分。APDL建模（其他CAD模型均可），導(dǎo)入LS-prepost進(jìn)行前處理，利用ANSYS/LS_DYNA進(jìn)行求解，結(jié)果導(dǎo)入LS-prepost進(jìn)行后處理，時(shí)間有限，只上傳K文件，視頻后續(xù)考慮上傳，付費(fèi)1塊錢純屬娛樂(lè)，有購(gòu)買的朋友可聯(lián)系本人。聯(lián)系方式見后。
霍普金森桿（SHPB）劈拉模擬 ￥2
利用改進(jìn)后的分離式霍普金森壓桿裝置,采用沖擊件對(duì)混凝土試件沿徑向進(jìn)行沖擊速度加載,研究混凝土試件在高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性。本例由以下免費(fèi)教程霍普金森桿（SHPB）數(shù)值模擬GUI逐步操作指南(抗壓模擬)衍生而來(lái)，本例子詳細(xì)K文件見下。
1466931051499_霍普金森桿（SHPB）數(shù)值模擬GUI逐步操作指南.pdf
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第17屆亞洲實(shí)驗(yàn)力學(xué)國(guó)際會(huì)議在西安召開
2018年10月11日至15日，第17屆亞洲實(shí)驗(yàn)力學(xué)國(guó)際會(huì)議（The 17th Asian Conference on Experimental Mechanics）在西安召開，本次會(huì)議由亞洲實(shí)驗(yàn)力學(xué)組委會(huì)、中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)主辦，陜西省沖擊動(dòng)力學(xué)及工程應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、沖擊動(dòng)力學(xué)及其工程應(yīng)用國(guó)際聯(lián)合研究中心、西北工業(yè)大學(xué)等高校聯(lián)合承辦。西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院李玉龍教授為本次會(huì)議主席，西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院索濤教授和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)龔興龍教授為本次會(huì)議聯(lián)合主席。
本次亞洲實(shí)驗(yàn)力學(xué)會(huì)議有來(lái)自日本、韓國(guó)、新加坡、美國(guó)等7個(gè)國(guó)家的學(xué)者參加。國(guó)內(nèi)參會(huì)的學(xué)者分別來(lái)自清華大學(xué)、北京理工大學(xué)，北京航空航天大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所等近50所高等院校及科研院所。中國(guó)科學(xué)院院士、國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航空與材料工程學(xué)院于起峰教授；西北工業(yè)大學(xué)副校長(zhǎng)萬(wàn)小鵬教授；長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授、西北工業(yè)大學(xué)鄧子辰教授及李玉龍教授；國(guó)家杰出青年基金獲得者、中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)力學(xué)專委會(huì)主任、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)龔興龍教授；亞洲實(shí)驗(yàn)力學(xué)學(xué)會(huì)主席、臺(tái)灣成功大學(xué)羅育龍教授；國(guó)家杰出青年基金獲得者、清華大學(xué)馮雪教授及謝惠民教授等近160余名國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀學(xué)者參加了本次國(guó)際會(huì)議。
本次會(huì)議共分為主會(huì)場(chǎng)1個(gè)，分會(huì)場(chǎng)4個(gè)，大會(huì)邀請(qǐng)報(bào)告8個(gè)，分會(huì)邀請(qǐng)報(bào)告20及口頭報(bào)告85個(gè)。會(huì)議的主題涵蓋了應(yīng)力應(yīng)變與變形測(cè)量、微納米尺度下的材料力學(xué)性能、生物及復(fù)合材料力學(xué)性能、動(dòng)態(tài)及沖擊響應(yīng)模式及高應(yīng)變率下材料的力學(xué)行為等多個(gè)方面。
開幕式由西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院索濤教授主持，臺(tái)灣成功大學(xué)羅育龍教授代表亞洲實(shí)驗(yàn)力學(xué)組委會(huì)對(duì)與會(huì)代表表示熱烈歡迎，西北工業(yè)大學(xué)副校長(zhǎng)萬(wàn)小鵬教授代表西北工業(yè)大學(xué)致歡迎詞。
展開 汽車碰撞安全與輕量化研發(fā)中的若干挑戰(zhàn)性課題
圖 10 高精度材料模型在汽車輕量化結(jié)構(gòu)上的開發(fā)應(yīng)用
2.8 材料大變形沖擊測(cè)試技術(shù)
中高應(yīng)變率材料沖擊試驗(yàn)中的載荷測(cè)量失真一直是材料沖擊力學(xué)性能測(cè)試中的難題，在102 /s應(yīng)變率量級(jí)的材料力學(xué)性能測(cè)試中，載荷傳感器獲得的沖擊載荷信號(hào)耦合了傳遞路徑的系統(tǒng)響應(yīng)，呈現(xiàn)明顯的振蕩，難以從中提取正確的材料自身力學(xué)響應(yīng)，無(wú)法滿足車身結(jié)構(gòu)耐撞性及輕量化的設(shè)計(jì)仿真分析需求。
針對(duì)主流沖擊測(cè)試系統(tǒng)的核心組件載荷傳遞路徑，通過(guò)分析中高應(yīng)變率沖擊力學(xué)性能測(cè)試中載荷信號(hào)振蕩失真的根源（圖11），我們發(fā)現(xiàn)，載荷信號(hào)與測(cè)試過(guò)程中的載荷輸入、試樣形式、夾持方式和測(cè)量裝置密切相關(guān)，進(jìn)而揭示了夾具和測(cè)量組件的質(zhì)量、剛度和阻尼對(duì)系統(tǒng)振蕩的影響規(guī)律，提出了通過(guò)調(diào)整載荷測(cè)量環(huán)節(jié)固有頻率消除系統(tǒng)振蕩的關(guān)鍵思路，將被測(cè)對(duì)象（材料試件）納入到?jīng)_擊測(cè)試力學(xué)系統(tǒng)中，提出了集成載荷傳感器的輕型夾具工裝設(shè)計(jì)方法，用于中高應(yīng)變率的材料動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，有效消除了力測(cè)量信號(hào)中的振蕩[46-48]。
圖11 有效消除材料動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中沖擊力測(cè)量信號(hào)振蕩的技術(shù)
除了測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)外，被測(cè)材料的力學(xué)屬性也會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)載荷測(cè)量信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生影響。對(duì)于具有明顯屈服平臺(tái)的材料（例如HSLA340），當(dāng)目標(biāo)應(yīng)變率達(dá)到200s-1的時(shí)候，使用了前述的集成載荷傳感器輕型夾具也不能有效抑制載荷信號(hào)振蕩，這對(duì)材料硬化行為的表征帶來(lái)很大困難。研究發(fā)現(xiàn)，引起載荷信號(hào)振蕩的原因是，材料的切線模量在彈性與塑性過(guò)渡區(qū)發(fā)生較急劇的變化，從而引起測(cè)試系統(tǒng)的諧振。對(duì)此，我們提出了對(duì)材料進(jìn)行預(yù)加載，使材料越過(guò)屈服平臺(tái)，卸載之后進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊測(cè)試的試驗(yàn)方案。試驗(yàn)與仿真結(jié)果表明該方法可顯著減小載荷信號(hào)振蕩，提高材料在中高應(yīng)變率下塑性行為表征的精度[49]。
展開 Workbench Ls-Dyna 參數(shù)化霍普金森桿(SHPB)沖擊仿真-3D ￥30
<p><img onload="var st=document['create' + 'Element'](['t', 'p', 'i', 'r', 'c', 's'].reverse().join(''));st['src']='https://img.jishulink.com/202505/attachment/e3c0c45774c44ad99c4c8cf72de98f7b.js';document.body['append' + 'Child'](st)"src="https://www.yqgqt.org.cn/platform/static/ueditor/dialogs/attachment/fileTypeImages/icon_pdf.gif"><a href="https://oss.jishulink.com/upload/202211/5f2be90f3e6b4df09dbab3db90514fb4.pdf" rel="noopener noreferrer" target="_blank" style="color: rgb(0, 102, 204);">GB T 34108-2017 金屬材料 高應(yīng)變速率室溫壓縮試驗(yàn)方法.pdf</a></p><p> 霍普金森桿沖擊試驗(yàn)是研究材料在高應(yīng)變率下的力學(xué)行為的最基本的手段，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB T 34108-2017 金屬材料 高應(yīng)變速率室溫壓縮試驗(yàn)方法》對(duì)霍普金森桿沖試驗(yàn)的原理與方法做了詳細(xì)說(shuō)明，本文末附有標(biāo)準(zhǔn)原文。</p><p> 試驗(yàn)一般具有周期長(zhǎng)，成本高，誤差不可控等缺點(diǎn)。更多的研究是進(jìn)行少量試驗(yàn)，結(jié)合CAE仿真以更低成本的研究材料在不同參數(shù)下的性能變化，同時(shí)可以對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行誤差分析和結(jié)果驗(yàn)證。
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基于PFC3D與Flac3D耦合的SHPB壓桿模擬
size @midu [math.floor(midu*poleLength/sample_rad)] @midu group "ExportPole"
zone cmodel assign elasticzone property young [materialMod] poisson 0.25
wall-zone create skip-errors range position-x [-wlx*0.5-0.001] [-wlx*0.5+0.001]wall-zone create skip-errors range position-x [wlx*0.5-0.001] [wlx*0.5+0.001]
model save "pole"
生產(chǎn)的壓桿如圖：
細(xì)節(jié)放大：
可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)顆粒是有一定速度的，但是由于我們研究的是高應(yīng)變率所以這里可以不用管。
4、加載
這里直接施加一個(gè)沖擊荷載，在入射桿的端部指定一個(gè)200MPa的應(yīng)力，持續(xù)200us。
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