[發(fā)明專利]高速沖擊異形件正交異性彈性常數(shù)虛場同步表征法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011263568.4
• 申請日: 2020-11-12
• 公開（公告）號: CN112557220B
• 公開（公告）日: 2023-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 付佳偉;齊樂華;聶祥樊;朱開宇;湯毓源
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué);中國人民解放軍空軍工程大學(xué)
• 主分類號: G01N3/313
• 分類號: G01N3/313;G01N3/02
• 代理公司: 西安凱多思知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61290
• 代理人: 王鮮凱

本發(fā)明涉及一種高速沖擊異形件正交異性彈性常數(shù)虛場同步表征法，通過設(shè)計適當(dāng)?shù)漠愋渭咚贈_擊加載構(gòu)型，使試件在單向沖擊條件下亦可產(chǎn)生均衡的正應(yīng)變和剪切應(yīng)變，同時，建立正交異性彈性參數(shù)的動態(tài)虛場識別算法，并采用最小二乘全局優(yōu)化的方法從多個沖擊加載時刻中同步、準確地識別正交異性彈性的所有參數(shù)。與背景技術(shù)相比，本發(fā)明不受一維應(yīng)力波和均勻變形狀態(tài)假設(shè)條件的限制，僅需通過子彈的一次直接撞擊和試件高速變形場的獲取，即可實現(xiàn)正交異性彈性的多參數(shù)全局表征，可最大程度的減少實驗數(shù)量，同時，無需霍普金森桿法中龐大的桿系統(tǒng)，簡化了實驗裝置。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料動態(tài)力學(xué)屬性表征方法，涉及一種高速沖擊異形件正交異性彈性常數(shù)虛場同步表征法，特別涉及一種基于動態(tài)虛場法的材料高速沖擊下正交異性彈性屬性多參數(shù)同步表征方法。

背景技術(shù)

在航空、航天、兵器等領(lǐng)域中，飛行器、裝甲車等裝備時常遭受到飛鳥、彈片、沖擊波等外物的高速沖擊，其結(jié)構(gòu)材料在高速沖擊條件下的動態(tài)力學(xué)屬性與結(jié)構(gòu)的變形、失效等行為緊密相關(guān)。材料的動態(tài)力學(xué)屬性通常與準靜態(tài)條件下具有顯著差異，直接影響著裝備的服役安全。同時，諸如纖維增強復(fù)合材料、合金板材等先進結(jié)構(gòu)材料因其成形工藝和組織結(jié)構(gòu)特點而具有顯著的力學(xué)屬性各向異性，使得材料結(jié)構(gòu)的動態(tài)變形、失效行為更為復(fù)雜。長期以來，國內(nèi)外主要采用霍普金森壓力桿系統(tǒng)來表征材料高速沖擊條件下的動態(tài)力學(xué)屬性。作為目前應(yīng)用最為廣泛的動態(tài)力學(xué)屬性測試方法，霍普金森桿法亦存在一定局限性。首先，這類方法受限于一維應(yīng)力波傳遞和均勻應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的前提條件，對于材料各向異性力學(xué)屬性的表征，需沿不同材料方向開展多次沖擊實驗，其過程復(fù)雜繁瑣，且在上述前提條件下，霍普金森桿法亦難以從單調(diào)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)中實現(xiàn)各向異性材料拉剪耦合、雙拉耦合等復(fù)雜效應(yīng)的屬性參數(shù)表征。其次，常規(guī)的霍普金森桿法對于橡膠等低阻抗材料難以適用，這是由于低阻抗材料中應(yīng)力波傳遞速度低，試件受到霍普金森桿沖擊后達到平衡狀態(tài)所需時間長，影響了系統(tǒng)的有效測試時間，且低阻抗試件與高阻抗沖擊桿之間的阻抗差異還可造成采集信號的衰減和噪音影響的加大。

隨著超高速成像技術(shù)與數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，使用更為豐富的全場變形數(shù)據(jù)提取材料動態(tài)力學(xué)屬性已成為可能。文獻“Pierron?F,et?al.,PhilosophicalTransactions?of?the?Royal?Society?A,2014,372(2023),20130195”設(shè)計開展了矩形板件的高速沖擊加載構(gòu)型和實驗，基于動態(tài)條件形式的虛場法，從子彈直接撞擊試件時試件慣性效應(yīng)下的高速應(yīng)變場和加速度場數(shù)據(jù)中反求出材料的楊氏模量和泊松比。上述方法雖實現(xiàn)了動態(tài)條件下各向同性彈性常數(shù)的準確識別，但是，對于各向異性彈性常數(shù)，其表征精度受到試件應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的顯著影響，采用等截面試件沖擊加載的方法難以保證各向異性參數(shù)的全局準確表征。

發(fā)明內(nèi)容

要解決的技術(shù)問題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種高速沖擊異形件正交異性彈性常數(shù)虛場同步表征法。

技術(shù)方案

一種高速沖擊異形件正交異性彈性常數(shù)虛場同步表征法，其特征在于步驟如下：

步驟1、開展異形試件高速沖擊實驗：在異形試件表面噴涂散斑；采用空氣炮發(fā)射子彈，子彈直接高速撞擊異形試件的一端；拍攝高速沖擊下試件慣性加速階段的數(shù)字圖像；采用數(shù)字圖像相關(guān)對數(shù)字圖像進行計算，得到試件高速沖擊下慣性加速階段的全場變形場，對變形場計算得到應(yīng)變場、應(yīng)變率場和加速度場以及每一點的加速度a；

步驟2、針對正交各向異性彈性參數(shù)構(gòu)建動態(tài)條件下任一加載時刻的虛場本構(gòu)參數(shù)識別算法：

根據(jù)平衡方程

正交各向異性彈性，應(yīng)力張量σ