相变材料及聚合物中的复合应力波研究

发布时间：2018-04-16 12:05

本文选题：相变波 + 复合应力　；参考：《中国科学技术大学》2017年博士论文

【摘要】：各种冲击载荷在工程应用和日常生活中大量存在,在这样的动态条件下,应力波的分析有着重要的意义。经过多年的发展,传统材料中应力波的研究已经基本完善,并发展出了各种复杂波理论,形成了很多分支。然而随着越来越多性能特殊的新材料的问世,相应的应力波理论也需要更新,此外,借助应力波理论,对以往实验的很多认识也能够更加深入。基于此,本文对复合应力下相变材料以及聚合物中的应力波进行了研究,并从应力波传播的角度对以往的一些实验现象进行了重新分析。薄壁管的拉压扭以及平板的压剪是研究复合应力影响最常用的工况,本文首先对拉扭复合应力下薄壁管中的相变波进行了理论研究,从特征线理论出发,我们得到了拉扭复合加载下耦合相变快、慢波的理论结果,并研究了材料二相强化对相变波的影响。结果表明,在二相强化效应的影响下,可能形成相变耦合冲击波。通过结合本构方程以及冲击波间断条件,我们得到了确定相变耦合冲击波的广义雨贡钮线所需要的方程组,并对不同的初始状态和波后状态下相变耦合冲击波的求解方式进行了讨论。通过与相变波理论相独立的数值模拟,我们计算了三种不同追赶条件下相变耦合冲击波的形成过程,并观察到了波前状态自动调整的过程,模拟得到的冲击波波速以及波前状态与理论解基本一致,从而检验了相变耦合冲击波的存在性以及推导出的理论解的正确性。由于拉扭相变波的实验研究几乎是空白的,我们设计加工了一套对薄壁管进行预扭保持并将冲击压缩载荷转换为冲击拉伸载荷的实验装置,利用分离式霍普金森压杆作为加载装置,对304不锈钢薄壁管和相变材料NiTi合金薄壁管分别进行了预扭冲击拉伸实验。在对304不锈钢薄壁管的预扭冲击拉伸实验中,我们观察到了率相关材料典型的塑性耦合波的存在,证明了装置的可行性。在对NiTi合金薄壁管的预扭冲击拉伸实验中,我们直接观察到了相变耦合快波的存在,并与数值模拟结果进行了对比。模拟结果与实验结果基本吻合。借助模拟结果,我们分析了实验结果中相变耦合慢波不明显的原因。尽管由于装置可承受的加载幅值有限,未能得到相变耦合冲击波的实验结果,但是在实验中直接观察到耦合相变波本身的研究也是很有意义的。对于平板压剪复合冲击加载下的相变波,采用同时考虑静水压力和偏应力对相变行为影响的本构方程,对压剪相变波的传播规律进行了初步研究,并分析了不同拉压不对称性以及泊松比时的相变临界条件。对已有文献中的相变材料NiTi合金的压剪实验结果重新进行了分析,尤其是对实验结果中横向粒子速度小于撞击面加载速度这一特殊现象进行了具体分析,对实验结果分析所用的波系结构提出了不同的认识,并且从我们推导的压剪相变波的角度出发,能够得到与其他文献相比,和实验结果吻合更好的理论结果。由于压剪实验中横向粒子速度偏小这一特殊现象在有机玻璃、尼龙66等聚合物中同样存在,显微观察表明近界面附近存在剪切失效层,目前其机理并不清楚,这一压剪下的剪切衰减现象本身具有重要的研究意义。我们讨论了应力空间和粒子速度空间中的压剪复合波传播问题,发现在加载过程中:(1)在应力空间中,随着剪应力的增加,纵向压应力几乎不变,但是侧向压应力一直增加,当剪应力最终增加到纯剪切屈服应力时,材料各个方向上的正压力相等,处于静水压加纯剪的状态。(2)在粒子速度空间中,静水压下的纯剪切状态对应的是一个随纵向粒子速度变化的曲线,该曲线代表了能传入试件内部的横向粒子速度的最大值。该值与纵向速度的大小有关,并且可以大于纯剪切屈服时的横向粒子速度值。(3)当加载横向粒子速度高于上述曲线时,将在界面形成剪切量的间断。如果界面强度比较低,那么粒子速度间断发生在界面上,形成滑移,如果界面的结合强度足够高,那么这一剪切滑移就可能发生在材料较弱的一侧非常靠近界面的位置。上述结论表明,剪切波衰减以及近界面的失效问题的本质原因是材料剪切强度的限制。此外,若考虑卸载过程以及粘性的影响,那么测量到的电信号也可能发生衰减,但此时不一定出现近界面的失效现象。
[Abstract]:In this paper , we have studied the stress wave in the thin - walled tube under the influence of two - phase strengthening effect , and then studied the existence of the phase - change coupling shock wave under the influence of the stress wave theory . The results show that the shear wave attenuation and the influence of shear stress on the interface can occur when the shear stress is higher than the above - mentioned curve .

【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB34

【参考文献】