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聚脲材料动态力学性能试验研究.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月应用力学学报 .文章编号:()收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目(.)通信作者:李亮博士生导师:.引用格式:刘文礼杜修力李亮等.聚脲材料动态力学性能试验研究.应用力学学报():.():.聚脲材料动态力学性能试验研究刘文礼杜修力李亮马睿(北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室 北京)摘 要:应用低阻抗分离式霍普金森压杆和拉杆试验装置开展了聚脲材料动态力学性能的试验研究 分别开展了聚脲 材料常温条件()下的动态压缩和动态拉伸试验以及高温(、)和低温(、)条件下的动态压缩试验研究了该种材料的动态压缩和动态拉伸性能并研究了应变率和温度对材料动态力学性能
2、的影响规律 研究结果表明:在不同温度下聚脲 材料的动态力学性能均呈现出显著的应变率效应随着加载应变率的增大材料的强度、变形能力和耗能能力均有不同程度的提升聚脲 材料的动态力学性能具有明显的温度相关性高温和低温条件下材料的动态压缩性能呈现出不同的变化规律 高温条件下聚脲 材料的动态压缩性能发生劣化 其动态抗压强度较常温条件下有较大幅度的降低 随着温度的升高 材料的动态抗压强度降低 低温条件下聚脲 材料的动态压缩性能有显著的改善与提升 其动态抗压强度和耗能能力较常温条件下有大幅度的提高 随着温度的降低 材料的动态抗压强度提高关键词:聚脲材料动态压缩动态拉伸应变率中图分类号:文献标志码:./.():
3、.()()().:.应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 .:各类工程结构在其服役期内会由于各种原因如燃油气爆炸、恐怖袭击等受到爆炸荷载的作用爆炸产生的冲击波与碎片将对工程结构产生巨大的安全威胁 工程结构的抗爆安全性问题须进行研究 相较于准静态荷载冲击爆炸荷载具有高强度低脉宽的特点因此对防护结构及其构件提出了更高的要求 目前大多数结构都是钢筋 混凝土结构对冲击爆炸荷载的防护有限 提高工程结构抗爆安全性的途径之一是选用特定的材料对结构及其构件进行加固 聚脲材料具有良好的物理力学性质如具有极高的抗冲击性能、柔韧性、耐磨性、防湿滑、耐老化、防渗漏、耐腐蚀等特性该材料还具有
4、保温、防水抗冻、防止混凝土冻融等功能 已有学者对聚脲材料的抗爆、抗侵蚀性能进行了分析 聚脲材料已被广泛应用于各类土木工程结构及其构件近年来主要应用在混凝土结构抗爆抗冲击防护、裂纹渗透、冻融剥蚀、钢筋锈蚀、加固砖填充墙抗爆、钢结构的抗冲击、钢筋混凝土板抗爆和城市地下市政基础设施领域中国内外学者针对聚脲材料的静、动态力学性能开展了研究 石光明等利用万能试验机得到了聚脲材料在.应变率范围内准静态压缩下的应力应变关系 贾子建得到了应变率为.、.下的压缩应力应变关系同时得到了.应变率范围内的拉伸应力应变关系 等开展了聚脲在高应变率范围内的动态力学性能研究利用霍普金森压杆(铝材质)设备进行了聚脲材料的动态
5、力学试验得到了聚脲在不同应变率下的应力应变曲线 结果表明聚脲具有优异的变形能力和强应变率效应 拉伸性能方面和 等利用了 高速拉伸机得到了材料中应变率 下的单轴拉伸应力应变关系 代利辉等利用霍普金森拉杆()开展了聚脲材料在()范围内的高应变率单轴拉伸试验 了解高应变率下该材料的力学性能规律有利于对该材料抗冲击抗爆起到一定的参考作用聚脲材料可应用于多种工程结构的抗爆加固包括建筑结构、桥梁结构和水利工程结构等 由于不同工程结构所处的地区不同以及季节的变化会使聚脲材料的工作温度有较大范围的变化可能低至 也可能高达 在不同的工作温度条件下聚脲材料的动态力学性能会发生显著的变化因此有必要考虑温度和加载速率
6、的耦合研究不同温度和不同应变率组合条件下聚脲材料的动态力学性能 目前针对聚脲材料在高应变率与温度耦合条件下率温耦合动态力学性能的研究开展的还不充分国内外学者针对聚脲做了低温以及常温的率温效应试验 但是对高温与高应变率耦合下的率温效应的试验研究开展较少 本研究将开展此项研究重点关注高温对聚脲材料力学性能的影响并研究材料的力学性能随温度变化的规律 聚脲为黏弹性体聚合物由异氰酸酯组分(组分)和合成树脂混合组分(组分)经过聚合反应而成 合成组分的配比不同其反应生成的该材料的力学性能也存在差异 本研究将针对具有高断裂延伸率和优异抗冲击性能的聚脲 材料开展不同温度条件下的动态压缩与动态拉伸试验研究该材料的
7、动态力学特性并研究温度和应变率对其动态力学性能的影响规律 本研究采用了带有温度装置的霍普金森压杆和霍普金森拉杆开展不同温度条件下的动态压缩与拉伸试验的方法研究温度和应变率对聚脲材料动态力学性能的影响以期为聚脲材料高应变率下的本构关系提供参考数据第 期刘文礼等:聚脲材料动态力学性能试验研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 试验概况.试验装置采用西北工业大学飞行器结构力学与强度技术国防重点科学实验室的低阻抗分离式霍普金森()压杆和拉杆装置进行动态压缩和拉伸试验 试验装置如图 和图 所示 压杆材料采用 号钢入射杆和透射杆的直径均为 长度均为.在入射杆和透射杆与试件接触的端部均匀涂抹一薄层二硫
8、化钼以消除端面摩擦力的影响拉杆材料为钛合金 入射杆和透射杆的直径和长度均与压杆相同 由于聚脲材料的波阻抗较低动态压缩和拉伸试验中均采用灵敏度系数较高的半导体应变片图 分离式霍普金森压杆试验装置.图 分离式霍普金森拉杆试验装置.试验材料与试件设计本次试验的材料为聚脲 型号材料其主要的力学性能参数列于表 表中参数由江苏江化聚氨酯产品质量检测有限公司提供是在聚脲材料喷涂完成以后固化养护 后测试所得 动态压缩试验的试样为圆柱体长度为 直径为 动态拉伸试验的试件为如图 所示的狗骨形平板试件试件中部为有效拉伸段长度为 试件两端的放大段与试验装置连接有效拉伸段与放大段之间采用圆弧过渡过渡圆弧段半径为 采用
9、的聚脲板由数控雕铣机进行试件的加工成形 在拉杆试验装置的入射杆和透射杆端部开槽将带有 螺纹的夹具与入射杆和透射杆连接将试件通过高强度胶与夹具进行黏接从而实现其与试验装置的连接 这种连接方式可以减少连接界面对试验信号的影响具有连接紧密、连接接触面少和试验信号稳定等优点 试件与夹具黏接后须静置 以保证黏接胶的强度充分发挥使试件与试验装置的连接牢固图 动态拉伸试验的试件.表 聚脲 材料力学性能参数.密度/()拉伸强度/撕裂强度/()断裂延伸/.基本假定本研究须满足霍普金森杆试验技术的 个基本假定:杆中一维应力波假定试件中的应力和应变沿试件长度方向均匀分布假定 基于上述假定可得试件的应力、应变和应变率
10、分别为 ()()()()()()式中:和 分别为杆材料的弹性纵波波速和弹性模量 为杆的截面面积 和 分别为试件的初始 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报截面面积和初始长度、和 分别对应试件端面的入射波、反射波和透射波三者的关系由式()给出 式()也是对霍普金森杆试验结果的有效性进行验证的依据.试验方法本次试验须研究不同温度条件下聚脲材料的动态力学性能 高温试验通过在试件上缠绕电阻丝的方法来控制试件的温度 低温试验在入射杆和透射杆中放置低温环境箱通过液氮对箱内环境进行降温采用低温探头测定试样温度 考虑到聚脲材料的导热系数较低当达到设定的试验温度后须保持至少 以上以确
11、保试件整体均达到设定的试验温度然后再进行动态冲击加载 本次试验考虑的温度变化范围为 在该范围内入射杆和透射杆弹性模量的变化可以忽略不计即认为温度变化对波传播特性的影响很小 动态压缩和动态拉伸的典型波形分别如图 和图 所示 由图可知入射波、反射波和透射波满足式()的关系验证了试验的有效性 此外由图 可知反射波趋于平缓状态基本实现了恒定应变率的加载 在动态拉伸试中由于试件的断裂会影响透射波的传播使其不容易被观测和采集 而由图 可知本研究动态拉伸试验的透射波信号比较稳定分别开展常温条件()下聚脲 材料的动态压缩和动态拉伸试验以及不同温度条件下的动态压缩试验 动态加载的应变率分别为、试验温度分别为、研
12、究应变率和温度对聚脲 材料动态力学性能的影响规律 相对于常温 和 可视为低温 和 可视为高温图 动态压缩波形.图 动态拉伸波形.试验结果与分析.常温动态压缩试验常温条件下()聚脲 材料的动态压缩试验结果如表 所示不同应变率条件下动态压缩的应力应变曲线的对比如图 所示 将应力应变曲线的最高点对应的应力和应变作为峰值应力和峰值应变单位体积应变能表征材料在动态压缩条件下的耗能能力定义为应力应变曲线与横轴所包围的面积 由表 中试验结果可知聚脲 材料的动态压缩性能呈现出明显的应变率效应 随着加载应变率的增大材料的峰值应力、峰值应变和单位体积应变能均逐渐增大即材料的动态抗压强度、变形能力和耗能能力均随应变
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