脆性颗粒材料的应变率效应机理研究.pdfVIP

第34卷第3期 固体力学学报 V01．34NO．3 MECHANICS CHINESE OFSOI。ID J()URNAL 2013 2013年6月 June 脆性颗粒材料的应变率效应机理研究+ 黄俊宇 徐松林“ 胡时胜 (中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，合肥，230027) 摘 要 利用分离式Hopkinson压杆(SHPB)，对干燥石英砂进行了被动围压下的动态压缩实验，发现石英砂 表现出了明显应变率效应．通过激光粒度分析测量了动静态压缩后的试件的级配曲线，发现同一应力水平下准静 态压缩后比动态压缩后的试件的颗粒破碎量更大．而通过拟合相对破碎率与外力功之间的关系，发现准静态压缩 在颗粒破碎方面能量利用率更高也即破碎效率更高，而这正是脆性颗粒材料应变率效应的本质原因． 关键词脆性颗粒材料，应变率效应，破碎效率，级配曲线，相对破碎率 0 引言 本文利用改进的SHPB装置，以干燥石英砂为实 脆性颗粒材料的动态力学性能愈来愈受关注， 验材料来研究脆性颗粒材料的动态压缩性能，试图弄 因为土木工程和军事应用领域中有很多问题涉及脆 清脆性颗粒材料是否具有应变率效应，并从动静态破 性颗粒材料在强动载荷下的响应¨‘2j．例如强地动 碎特性的区别来解释应变率效应的微细观机理． 中地震波与地面和地下建筑的相互作用问题，修筑 1应变率效应 堤坝、隧道时大量使用炸药产生的爆炸波对周围建 首先对实验装置和实验材料作简单介绍．为了 筑基础的影响等等． 回收试件进行级配分析，动态压缩实验采用单脉冲 目前针对颗粒材料的动态压缩实验大部分都是 加载方式Jo，装置示意图如图1．实验中采用直径37 利用钢套筒(被动围压)使试件成形的，实验时试件 mm、长2．5m的铝杆，600mm长的铝子弹．子弹速 近似处于一维应变状态．在相当广泛的载荷和应变 度分别用10m／s和25m／s来得到两种高应变率下 率范围内，脆性颗粒材料的动态压缩实验结果都已 的压缩曲线．入射杆前端使用橡胶片作整形器以消 见报道一2·3f，这为研究脆性颗粒材料的动态本构关 除由于弥散引起的高频振荡．试件尺寸为037×10 系提供了丰富的实验数据，进而可以为数值模拟提 mm，使用钢套筒提供侧限．石英砂的初始粒径分布 供比较精确的参数．但是现有的实验结果中，关于脆 如图2所示，初始密度控制为1．4g／cm3．为与动态 性颗粒材料是否具有应变率效应并没有统一的结 实验结果进行对比，我们还在MTS809上做了石英 论心一．由于脆性颗粒材料应变率效应的本质并不清 砂的准静态压缩实验． 楚，所以没有文献试图对上述现象进行解释． 对脆性颗粒材料的大量准静态压缩实验结果表 t篙 套跫∥ 明口：：当加载应力超过其屈服应力时，材料内部会发 生明显颗粒破碎，此后材料变形主要由颗粒破碎主 螺母7 导．破碎力学理论拍。表明，颗粒破碎和摩擦滑移是颗 图1加载装置 粒材料内部能量耗散的主要形式，决定了其宏观力 loadingsetups