镁铝合金等材料一维应力本构关系的确定以及对于SHPB实验分析的讨论

摘要

对于具有应用背景的镁铝合金材料，本文从实验、理论与数值模拟的结合上，确定与考证了镁铝合金在一维应力压缩状态下的本构关系。把由一维准静态及动态压缩试验结果所确定的经验性本构关系嵌入镁铝合金的SHPB试验的全过程数值模拟，可再现实验测得的反射波波形及透射波波形。数值模拟也表明，采用SHPB试验经典分析所估算的应力、应变、应变率与试件典型微元在试验过程中所经受的应力、应变、应变率也基本一致。然而，数值模拟指出，通常的小于10μs上升时间的陡坡梯形入射波并不能使试件经受接近常值的应变率。 从实验、理论与数值模拟的结合上，对于高加载率的SHPB试验原理提出一种新理念。一方面采用一维有限差分方法对SHPB试验原理进行全过程数值模拟，考察SHPB试验经典分析方程对于高加载率情况的适用性；另一方面把SHPB试验经典分析确定的试件材料本构关系嵌入SHPB试验全过程数值模拟，考察数值模拟再现高加载率SHPB试验测得的反射波形及透射波形的可能性。通过对高加载率SHPB试验的数值实例，指明了如同Wu等揭示的实验规律：试件两端的应力平衡依赖于试件厚度及加载率。 利用脉冲造型技术对镁铝合金及不锈钢材料进行实验，结果表明，脉冲造型技术可以消除波传播过程中的高频振荡；对于应变率敏感的不锈钢材料，脉冲造型可以使试样在大部分历时内处于常应变率（或近似常应变率）状态。对于镁铝合金的入射脉冲造型SHPB试验进行的数值模拟表明，缓坡梯形入射波可以改善应变率随时间的变化。因此，对于应变率敏感材料的SHPB试验，入射波造型设计是有意义的。