材料沖擊彈塑性測量方案設計與實施,力學論文

材料沖擊彈塑性測量方案設計與實施,力學論文為了觀察到材料被沖擊后內(nèi)部的變化，實驗中采用快速激光干預的方式方法DISAR(displacementinterferometersystemforanyreflector激光干預測速儀〕[10]測試材料沖擊后界面的粒子速度變化來確定材料的變形。這種實驗方式方法是：實驗中一束連續(xù)發(fā)射的強激光輸入進DISAR系統(tǒng)，激光經(jīng)過DISAR系統(tǒng)之后通過單模光纖進入樣品后界面的光纖探頭，激光通過光纖探頭穿過透明窗口進入樣品盒內(nèi)，在樣品后界面反射后再根據(jù)原路返回到DISAR系統(tǒng)內(nèi)，當物體以速度u(t)相對探頭運動時，根據(jù)多普勒效應，物體外表反射光的頻率f0會產(chǎn)生變化。設物體朝向探頭運動時，反射光的頻率變?yōu)閒0+fd，，華而不實fd，為多普勒頻移，與物體運動速度u(t)成正比[9]，有：式中，為激光波長。圖1中反射光相當于將速度引起的多普勒頻移信息調(diào)制到激光頻率上，將其和原始參考激光一起送到DISAR內(nèi)的探測器，經(jīng)光學混頻后輸出的拍頻正好是多普勒頻移fd。由此，通過DISAR系統(tǒng)的光學混頻作用，能夠直接測量多普勒頻移。實驗中DISAR系統(tǒng)能夠?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)換成電壓信號為數(shù)字示波器記錄，示波器上電信號的周期改變歷史即可反映上述的多普勒頻移，算出頻移改變歷史后，能夠通過式〔1〕計算出物體后界面的速度變化經(jīng)過。2材料沖擊彈塑性測量方案的施行采用一級輕氣炮和力科高精示波器〔型號：LeC‐royWavepro7Zi〕、激光干預測速儀施行本實驗方案，實驗中采用的樣品為砂巖；之所以采用該材料，是由于本實驗主要是為安全工程、采礦工程兩個專業(yè)設計的；在材料力學的后續(xù)課程中會牽涉巖石力學的沖擊加載問題。如此圖2所示，為示波器記錄的一次典型信號的有效部分。圖2示波器記錄的實驗信號如此圖2所示，當實驗材料中的應力波到達材料和透明窗口的接觸界面處〔圖中A點處〕，信號呈現(xiàn)急劇變化的特征，從圖中A點到B點對應的波形分布具有先稀疏再密集的態(tài)勢。自A點之后，對應的材料后界面反射的激光波長減小，結(jié)合式〔1〕，采用短時傅里葉變換的方式方法，編寫程序?qū)D2中記錄的示波器信號進行變換，變換的結(jié)果如此圖3所示。出于重復性考慮，一共進行兩次實驗，如此圖3(a〕、〔b〕所示，華而不實圖3(a〕對應的彈丸碰撞速度是1820m/s，實驗b對應的彈丸碰撞速度是350m/s；上圖顯示：當沖擊波到達樣品后界面時，先是有一個接近零的時段〔圖3(a〕、〔b〕中1點〕，然后有一個幅度很小的爬升的階段到達一個小平臺〔從圖3(a〕、〔b〕中點1到點2〕，最后再從該平臺上升至高平臺3。根據(jù)文獻[11]研究的沖擊脆性材料的特征，以及文獻[12]對現(xiàn)有脆性材料的沖擊實驗解讀，以上三個階段的速度變化對應的是巖石的彈性階段及塑形階段，從點1到點2是彈性波在樣品中作用的結(jié)果，點2到點3是塑形波〔有時稱為失效波〕作用的結(jié)果。該圖顯示，彈塑性特征與采用萬能材料實驗機測得的靜態(tài)彈塑性波形有些類似，但需要注意的是，本文測得的是速度曲線，并未直接測出應力應變曲線；除此之外，圖3中的曲線反映的是沖擊后材料中應力波掃過樣品后外表粒子速度的增長歷史；該歷史也與材料內(nèi)的應力逐一對應。根據(jù)文獻[13]的研究結(jié)果，巖石材料的毀壞與失效與沖擊應變率有關(guān)。盡管巖石材料在靜態(tài)壓縮經(jīng)過中塑性沒有彈性階段明顯，但根據(jù)巖石等脆性材料的最新的研究結(jié)果顯示[14,15]，在快速沖擊作用下，塑形階段發(fā)展比彈性階段明顯的多。圖3顯示，與塑形階段相比，圖中彈性階段速度很低，講明在沖擊作用下，巖石的彈性強度較小。隨著巖石中應力波嚴重耗散，位錯密度增加，巖石中的縫隙被錯動毀壞構(gòu)成的微粒填充，巖石變得愈加致密，強度變大，進而導致圖3中塑形波的最高點比彈性階段大的多。圖3(a〕、〔b〕兩部分比照顯示，不同沖擊速度下彈塑性的發(fā)展也存在差異不同，在較高的沖擊速度下〔圖3(a〕〕，彈性起跳低，塑性階段強度發(fā)展空間較大；對于較低速度的沖擊〔圖3(b〕〕，圖3(b〕中彈性階段到達高度絕對值〔圖3(b〕中點2〕與圖3(a〕圖中差不多，但塑性階段發(fā)展的終點〔圖3(b〕中點3〕比圖3(a〕要低，這應該歸于在不同沖擊速度下，失效階段所激發(fā)的不同構(gòu)造黏性引起[16]，其具體機理有待進一步的理論分析。圖3應力波作用下材料后界面粒子速度變化歷史3結(jié)束語本文依托沖擊氣炮、快速激光干預儀和高精度示波器，為本科材料力學實驗環(huán)節(jié)設計了材料的動態(tài)彈塑性測量方案。實驗的開發(fā)和施行為材料力學的后續(xù)課程巖石力學、爆破工程等課程中巖石的沖擊動態(tài)毀壞提供了知識儲備，能夠讓安全、采礦工程學生在學習、理解這兩門核心課程中爆破和沖擊概念時愈加深入。除此之外，開展本實驗能夠提高同學開展科學研究的興趣，根據(jù)文獻[17,18]近年來的研究，學生在理工類課程的學習中，激發(fā)興趣以及進入項目驅(qū)動的學習環(huán)節(jié)，對其動手能力的培養(yǎng)能夠給予有力支撐。因而本實驗的開展，對本科材料力學實踐教學環(huán)節(jié)有重要的補足價值。以下為參考文獻[1]李志義.適應認證要求推進工程教育教學改革[J].中國大學教學，2020(6):9-16.[2]SULLIVANRW,ROHANIMR.Designandapplicationofabeamtestingsystemforexperientiallearninginmechanicsofmaterials[J].AdvancesinEngineeringEducation,2018(1):1-19.[3]RICHARDL,LEONAS,ANTHONYJP.Reconsideringtheroleofexperimentinscienceeducation[C]//Crowley,Schunn,Okada.DesigningforScience:ImplicationsfromEveryday,Classroom,andProfessionalSettings.NewJersey:Erlbaum,2001:251-278.[4]SRIDHARABS.Course-relatedundergraduateprojectsfordynamics[C]//120thASEEAnnualConferenceExposition.Atlanta:AmericanSocietyforEngineeringEducation,2020.[5]康穎安，夏平，劉紅石，等.獨立學院材料力學實驗教學改革與實踐[J].實驗科學與技術(shù)，2021,14(3):186-188.[6]陳紅兵，鄭應彬，羅書強.材料力學實驗教學改革討論[J].實驗科學與技術(shù)，2020,12(6):77-80.[7]SIEGFRIEDMH,RAULHA.Experientiallearninginmechanicswithmultimedia[J].InternationalJournalofEngineeringEducation,2000,16(5):372-384.[8]徐耀玲，譚文鋒.用LS-DYNA輔助材料力學沖擊問題的教學[J].力學與實踐，2008(6):87-88.[9]經(jīng)福謙，陳俊祥.動高壓原理與技[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.[10]YUKIOS,AKIHISAA,HIDEAKII.MeasurementoffreesurfacevelocitiesofcopperplatesbyInterferometer[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,1999(85):158-161.[11]GRADYDE.Shock-wavecompressionofbrittlesolids[J].MechanicsofMaterials,1998(29):181-203.[12]CHENDP,HEHL,JINGFQ.Delayedfailureoftheshockcompressedinhomogeneousbrittlematerial[J].JournalofAppliedPhysics,2007,102(33):1-5.[13]ZHANGZX,KOUSQ,YUJY,etal.Effectsofloadingrateonrockfracture[J].InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,1999,36(5):597-611.[14]ZHANGQB,ZHAOJ.Reviewofdynamicexperimentaltechniquesandmechanicalbehaviourofrockmaterials[J].RockMechanicsandRockEngineering,2020,47(4):1411-1478.[15]BOURNENK.Therelationoffailureunder1Dshocktotheballisticperformanceofbrittlematerials[J].InternationalJournalofImpactEngineering,2008,35(8):674-683.[16]QIC,WANGM,QIANQ.Strain-rateeffectsonthestrengthandfragmentationsizeofrocks[J].InternationalJournalofImpactEngineering,2018,36(12):1355-1364.[17]JEFFRYJ,FAUZIAHS.Studentspersonalinteresttowardsprojectbasedlearning[J].PEOPLE:Internation