材料冲击弹塑性测量方案设计与实施,力学论文

材料冲击弹塑性测量方案设计与实施,力学论文为了观察到材料被冲击后内部的变化，实验中采用快速激光干预的方式方法DISAR(displacementinterferometersystemforanyreflector激光干预测速仪〕[10]测试材料冲击后界面的粒子速度变化来确定材料的变形。这种实验方式方法是：实验中一束连续发射的强激光输入进DISAR系统，激光经过DISAR系统之后通过单模光纤进入样品后界面的光纤探头，激光通过光纤探头穿过透明窗口进入样品盒内，在样品后界面反射后再根据原路返回到DISAR系统内，当物体以速度u(t)相对探头运动时，根据多普勒效应，物体外表反射光的频率f0会产生变化。设物体朝向探头运动时，反射光的频率变为f0+fd，，华而不实fd，为多普勒频移，与物体运动速度u(t)成正比[9]，有：式中，为激光波长。图1中反射光相当于将速度引起的多普勒频移信息调制到激光频率上，将其和原始参考激光一起送到DISAR内的探测器，经光学混频后输出的拍频正好是多普勒频移fd。由此，通过DISAR系统的光学混频作用，能够直接测量多普勒频移。实验中DISAR系统能够将光信号转换成电压信号为数字示波器记录，示波器上电信号的周期改变历史即可反映上述的多普勒频移，算出频移改变历史后，能够通过式〔1〕计算出物体后界面的速度变化经过。2材料冲击弹塑性测量方案的施行采用一级轻气炮和力科高精示波器〔型号：LeC‐royWavepro7Zi〕、激光干预测速仪施行本实验方案，实验中采用的样品为砂岩；之所以采用该材料，是由于本实验主要是为安全工程、采矿工程两个专业设计的；在材料力学的后续课程中会牵涉岩石力学的冲击加载问题。如此图2所示，为示波器记录的一次典型信号的有效部分。图2示波器记录的实验信号如此图2所示，当实验材料中的应力波到达材料和透明窗口的接触界面处〔图中A点处〕，信号呈现急剧变化的特征，从图中A点到B点对应的波形分布具有先稀疏再密集的态势。自A点之后，对应的材料后界面反射的激光波长减小，结合式〔1〕，采用短时傅里叶变换的方式方法，编写程序对图2中记录的示波器信号进行变换，变换的结果如此图3所示。出于重复性考虑，一共进行两次实验，如此图3(a〕、〔b〕所示，华而不实图3(a〕对应的弹丸碰撞速度是1820m/s，实验b对应的弹丸碰撞速度是350m/s；上图显示：当冲击波到达样品后界面时，先是有一个接近零的时段〔图3(a〕、〔b〕中1点〕，然后有一个幅度很小的爬升的阶段到达一个小平台〔从图3(a〕、〔b〕中点1到点2〕，最后再从该平台上升至高平台3。根据文献[11]研究的冲击脆性材料的特征，以及文献[12]对现有脆性材料的冲击实验解读，以上三个阶段的速度变化对应的是岩石的弹性阶段及塑形阶段，从点1到点2是弹性波在样品中作用的结果，点2到点3是塑形波〔有时称为失效波〕作用的结果。该图显示，弹塑性特征与采用万能材料实验机测得的静态弹塑性波形有些类似，但需要注意的是，本文测得的是速度曲线，并未直接测出应力应变曲线；除此之外，图3中的曲线反映的是冲击后材料中应力波扫过样品后外表粒子速度的增长历史；该历史也与材料内的应力逐一对应。根据文献[13]的研究结果，岩石材料的毁坏与失效与冲击应变率有关。尽管岩石材料在静态压缩经过中塑性没有弹性阶段明显，但根据岩石等脆性材料的最新的研究结果显示[14,15]，在快速冲击作用下，塑形阶段发展比弹性阶段明显的多。图3显示，与塑形阶段相比，图中弹性阶段速度很低，讲明在冲击作用下，岩石的弹性强度较小。随着岩石中应力波严重耗散，位错密度增加，岩石中的缝隙被错动毁坏构成的微粒填充，岩石变得愈加致密，强度变大，进而导致图3中塑形波的最高点比弹性阶段大的多。图3(a〕、〔b〕两部分比照显示，不同冲击速度下弹塑性的发展也存在差异不同，在较高的冲击速度下〔图3(a〕〕，弹性起跳低，塑性阶段强度发展空间较大；对于较低速度的冲击〔图3(b〕〕，图3(b〕中弹性阶段到达高度绝对值〔图3(b〕中点2〕与图3(a〕图中差不多，但塑性阶段发展的终点〔图3(b〕中点3〕比图3(a〕要低，这应该归于在不同冲击速度下，失效阶段所激发的不同构造黏性引起[16]，其具体机理有待进一步的理论分析。图3应力波作用下材料后界面粒子速度变化历史3结束语本文依托冲击气炮、快速激光干预仪和高精度示波器，为本科材料力学实验环节设计了材料的动态弹塑性测量方案。实验的开发和施行为材料力学的后续课程岩石力学、爆破工程等课程中岩石的冲击动态毁坏提供了知识储备，能够让安全、采矿工程学生在学习、理解这两门核心课程中爆破和冲击概念时愈加深入。除此之外，开展本实验能够提高同学开展科学研究的兴趣，根据文献[17,18]近年来的研究，学生在理工类课程的学习中，激发兴趣以及进入项目驱动的学习环节，对其动手能力的培养能够给予有力支撑。因而本实验的开展，对本科材料力学实践教学环节有重要的补足价值。以下为参考文献[1]李志义.适应认证要求推进工程教育教学改革[J].中国大学教学，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]康颖安，夏平，刘红石，等.独立学院材料力学实验教学改革与实践[J].实验科学与技术，2021,14(3):186-188.[6]陈红兵，郑应彬，罗书强.材料力学实验教学改革讨论[J].实验科学与技术，2020,12(6):77-80.[7]SIEGFRIEDMH,RAULHA.Experientiallearninginmechanicswithmultimedia[J].InternationalJournalofEngineeringEducation,2000,16(5):372-384.[8]徐耀玲，谭文锋.用LS-DYNA辅助材料力学冲击问题的教学[J].力学与实践，2008(6):87-88.[9]经福谦，陈俊祥.动高压原理与技[M].北京：国防工业出版社，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