材料沖擊彈塑性測(cè)量方案設(shè)計(jì)與實(shí)施,力學(xué)論文

材料沖擊彈塑性測(cè)量方案設(shè)計(jì)與實(shí)施,力學(xué)論文為了觀察到材料被沖擊后內(nèi)部的變化，實(shí)驗(yàn)中采用快速激光干預(yù)的方式方法DISAR(displacementinterferometersystemforanyreflector激光干預(yù)測(cè)速儀〕[10]測(cè)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(shí)驗(yàn)方式方法是：實(shí)驗(yàn)中一束連續(xù)發(fā)射的強(qiáng)激光輸入進(jìn)DISAR系統(tǒng)，激光經(jīng)過DISAR系統(tǒng)之后通過單模光纖進(jìn)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(jìn)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(dāng)物體以速度u(t)相對(duì)探頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)多普勒效應(yīng)，物體外表反射光的頻率f0會(huì)產(chǎn)生變化。設(shè)物體朝向探頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，反射光的頻率變?yōu)閒0+fd，，華而不實(shí)fd，為多普勒頻移，與物體運(yùn)動(dòng)速度u(t)成正比[9]，有：式中，為激光波長。圖1中反射光相當(dāng)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(cè)器，經(jīng)光學(xué)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(xué)混頻作用，能夠直接測(cè)量多普勒頻移。實(shí)驗(yàn)中DISAR系統(tǒng)能夠?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)為數(shù)字示波器記錄，示波器上電信號(hào)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(jì)算出物體后界面的速度變化經(jīng)過。2材料沖擊彈塑性測(cè)量方案的施行采用一級(jí)輕氣炮和力科高精示波器〔型號(hào)：LeC‐royWavepro7Zi〕、激光干預(yù)測(cè)速儀施行本實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)中采用的樣品為砂巖；之所以采用該材料，是由于本實(shí)驗(yàn)主要是為安全工程、采礦工程兩個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)的；在材料力學(xué)的后續(xù)課程中會(huì)牽涉巖石力學(xué)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(hào)的有效部分。圖2示波器記錄的實(shí)驗(yàn)信號(hào)如此圖2所示，當(dāng)實(shí)驗(yàn)材料中的應(yīng)力波到達(dá)材料和透明窗口的接觸界面處〔圖中A點(diǎn)處〕，信號(hào)呈現(xiàn)急劇變化的特征，從圖中A點(diǎn)到B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波形分布具有先稀疏再密集的態(tài)勢(shì)。自A點(diǎn)之后，對(duì)應(yīng)的材料后界面反射的激光波長減小，結(jié)合式〔1〕，采用短時(shí)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(hào)進(jìn)行變換，變換的結(jié)果如此圖3所示。出于重復(fù)性考慮，一共進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn)，如此圖3(a〕、〔b〕所示，華而不實(shí)圖3(a〕對(duì)應(yīng)的彈丸碰撞速度是1820m/s，實(shí)驗(yàn)b對(duì)應(yīng)的彈丸碰撞速度是350m/s；上圖顯示：當(dāng)沖擊波到達(dá)樣品后界面時(shí)，先是有一個(gè)接近零的時(shí)段〔圖3(a〕、〔b〕中1點(diǎn)〕，然后有一個(gè)幅度很小的爬升的階段到達(dá)一個(gè)小平臺(tái)〔從圖3(a〕、〔b〕中點(diǎn)1到點(diǎn)2〕，最后再從該平臺(tái)上升至高平臺(tái)3。根據(jù)文獻(xiàn)[11]研究的沖擊脆性材料的特征，以及文獻(xiàn)[12]對(duì)現(xiàn)有脆性材料的沖擊實(shí)驗(yàn)解讀，以上三個(gè)階段的速度變化對(duì)應(yīng)的是巖石的彈性階段及塑形階段，從點(diǎn)1到點(diǎn)2是彈性波在樣品中作用的結(jié)果，點(diǎn)2到點(diǎn)3是塑形波〔有時(shí)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(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)得的靜態(tài)彈塑性波形有些類似，但需要注意的是，本文測(cè)得的是速度曲線，并未直接測(cè)出應(yīng)力應(yīng)變曲線；除此之外，圖3中的曲線反映的是沖擊后材料中應(yīng)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(yīng)力逐一對(duì)應(yīng)。根據(jù)文獻(xiàn)[13]的研究結(jié)果，巖石材料的毀壞與失效與沖擊應(yīng)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?zèng)_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(qiáng)度較小。隨著巖石中應(yīng)力波嚴(yán)重耗散，位錯(cuò)密度增加，巖石中的縫隙被錯(cuò)動(dòng)毀壞構(gòu)成的微粒填充，巖石變得愈加致密，強(qiáng)度變大，進(jìn)而導(dǎo)致圖3中塑形波的最高點(diǎn)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(qiáng)度發(fā)展空間較大；對(duì)于較低速度的沖擊〔圖3(b〕〕，圖3(b〕中彈性階段到達(dá)高度絕對(duì)值〔圖3(b〕中點(diǎn)2〕與圖3(a〕圖中差不多，但塑性階段發(fā)展的終點(diǎn)〔圖3(b〕中點(diǎn)3〕比圖3(a〕要低，這應(yīng)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(jī)理有待進(jìn)一步的理論分析。圖3應(yīng)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(yù)儀和高精度示波器，為本科材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了材料的動(dòng)態(tài)彈塑性測(cè)量方案。實(shí)驗(yàn)的開發(fā)和施行為材料力學(xué)的后續(xù)課程巖石力學(xué)、爆破工程等課程中巖石的沖擊動(dòng)態(tài)毀壞提供了知識(shí)儲(chǔ)備，能夠讓安全、采礦工程學(xué)生在學(xué)習(xí)、理解這兩門核心課程中爆破和沖擊概念時(shí)愈加深入。除此之外，開展本實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱岣咄瑢W(xué)開展科學(xué)研究的興趣，根據(jù)文獻(xiàn)[17,18]近年來的研究，學(xué)生在理工類課程的學(xué)習(xí)中，激發(fā)興趣以及進(jìn)入項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，對(duì)其動(dòng)手能力的培養(yǎng)能夠給予有力支撐。因而本實(shí)驗(yàn)的開展，對(duì)本科材料力學(xué)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)有重要的補(bǔ)足價(jià)值。以下為參考文獻(xiàn)[1]李志義.適應(yīng)認(rèn)證要求推進(jìn)工程教育教學(xué)改革[J].中國大學(xué)教學(xué)，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(dú)立學(xué)院材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2021,14(3):186-188.[6]陳紅兵，鄭應(yīng)彬，羅書強(qiáng).材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革討論[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)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(xué)沖擊問題的教學(xué)[J].力學(xué)與實(shí)踐，2008(6):87-88.[9]經(jīng)福謙，陳俊祥.動(dòng)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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