混凝土类材料冲击本构特性的SHPB技术及Lagrange反解法的研究

论文摘要

本文针对利用大直径Hopkinson压杆来获取混凝土本构关系时碰到的一系列问题，如横向惯性效应的修正和如何满足应力均匀性假定等，进行了系统的分析和阐述。在发现采用传统的SHPB技术难以对混凝土获得可靠的动态本构关系之后，发展了Hopkinson杆技术与改进的基于路径线法的Lagrange分析相结合的新方法来反解试样的本构关系，成功地获得了C30混凝土试样的在高应变率下的动态应力-应变关系，获得了令人满意的结果。 本文第二章对SHPB试验中应力波传播的由于横向惯性引起的几何弥散效应进行了分析，并结合ANSYS数值计算对其准确性进行了验证，发现利用Fourier分析方法对Φ37mm杆中的脉冲波形进行谐波的频谱分析对于大直径杆中的弥散效应修正是行之有效的。同时还探讨了用BP神经网络方法来解决波的横向惯性效应修正的问题，发现通过ANSYS数值仿真技术与BP神经网络相结合，可以快速有效地同时解正问题和反问题。 本文的第三章对SHPB试验中粘弹性材料的应力均匀性问题进行分析。发现与弹性试样的应力均匀性分析不同，粘弹性试样的应力均匀性过程既依赖于入射波的升时τs／tL和波阻抗比Ri，也依赖于材料的松弛时间θ2。进一步又对混凝土类材料作为脆性材料的脆性断裂前的应力均匀性问题进行了分析，发现以断裂应变εf=5‰为代表的脆性材料，非均匀阶段的应变可高达2.0～2.5‰，故传统的三波和两波法均难以获得可靠的应力-应变曲线。但应力均匀化后测得的动态断裂应力值是可靠的。 鉴于传统的SHPB技术难以获得混凝土类脆性粘弹性材料可靠的动态应力-应变关系，我们另辟新径，在本文第四章发展了基于路径线的Lagrange反分析方法与Hopkinson杆技术结合的新方法。一方面通过Hopkinson杆实测试样边界处的应力和质点速度（相当于组合计），另一方面，在试样上不同拉氏位置处实测质点速度或应变波形，然后进行拉氏分析，分别称为“1sV+nV”法和“1sV+ne”法。数值试验表明可满意地得到各拉氏位置的应力-应变关系。本文还建立了拉氏分析结果与ZWT率型本构模型之间的定量关系。数值模拟结果表明，特别是对于ZWT线性粘弹性材料，由上述方法确定的本构参数相当理想。这为一大类遵循ZWT模型的率型材料（高聚物和混凝土类材料等）建立了一个由Hopkinson

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 混凝土动态研究概况
• 1.2 SHPB试验中大直径杆中应力波传播的弥散分析
• 1.3 SHPB试验中粘弹性试样的应力均匀性分析
• 1.4 率型材料本构关系的研究
• 参考文献
• 第二章 SHPB试验中应力波传播的弥散分析
• 2.1 波传播反分析法研究概况
• 2.2 Hopkinson压杆中波传播的反分析
• 2.2.1 傅立叶弥散分析方法
• 2.2.1.1 数值分析方法
• 2.2.1.2 数值试验方法
• 2.2.1.3 试验方法
• 2.2.2 BP神经网络分析方法
• 2.2.2.1 正问题的数值计算方法
• 2.2.2.2 用BP神经网络进行正、反分析
• 2.3 本章小结
• 参考文献
• 第三章 SHPB试验中粘弹性试件的应力均匀性分析
• 3.1 应力均匀性研究的概况
• 3.2 大变形粘弹性材料应力均匀性的研究
• 3.2.1 特征线数值模拟的建模
• 3.2.2 SHPB试验中的粘弹性材料的应力均匀性分析
• 3.2.3 SHPB试验中的粘弹性材料的应变均匀性分析
• 3.2.4 SHPB试验中的粘弹性材料的应变率分析
• 3.3 率相关脆性材料SHPB试验中断裂前的应力均匀性的研究
• 3.3.1 水泥砂浆试样的加载应力均匀性分析
• 3.3.2 水泥砂浆试样的加卸载的应力均匀性分析
• u对于脆性材料SHPB试验有效性的影响'>3.3.3 （?）和ε_u对于脆性材料SHPB试验有效性的影响
• 3.4 粘弹性材料SHPB试验中应力均匀性的实验研究
• 3.4.1 PVDF压电计在低应力下的实验标定
• 3.4.2 PMMA试样的应力均匀性试验
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 波传播法用于率型材料本构关系的研究
• 4.1 率型材料波传播研究概况
• 4.2 拉格朗日分析方法概述
• 4.2.1 传统的拉格朗日分析方法
• 4.2.2 改进后的基于相速度的1sV+nV拉格朗日分析方法
• 4.3 基于路径线法的拉氏方法与Hopkinson压杆技术的结合
• 4.3.1 改进后的基于路径线法的1sV+nV拉格朗日分析方法
• 4.3.2 改进后的基于路径线法的1sV+nε拉格朗日分析方法
• 4.4 路径线法与Hopkinson技术相结合的数值试验
• 4.4.1 “1sV+nV”法的数值试验
• 4.4.2 “1sV+nε”法的数值试验
• 4.4.3 反推ZWT本构方程参数
• 4.5 “1sV+nV”法的试验实现
• 4.5.1 钕铁硼永磁体高强单磁场装置
• 4.5.1.1 测试装置工作原理
• 4.5.1.2 钕铁硼高强单磁场测速装置简介
• 4.5.2 质点速度计实验方法
• 4.5.3 “1sV+nV”法试验结果及其分析
• 4.5.3.1 粒子速度计的质点速度时程采集
• 4.5.3.2 用“1sV+nV”法进行反分析
• 4.6 大间距“1sV+nε”的试验及分析
• 4.6.1 PMMA的数值试验
• 4.6.2 混凝土试样中应变时程的实测与反分析
• 4.7 本章小结
• 参考文献
• 第五章 总结与展望
• 博士期间发表的论文
• 致谢