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2024, 44(9): 091411.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0473
摘要:
冲击波在固体介质内传播时，内部电荷随冲击波作用向两极迁移形成电势差并对外输出电压/电流的极化效应称作冲击极化效应。针对晶体、金属、陶瓷以及聚合物等典型固体介质的冲击极化效应进行了系统梳理；总结了现阶段发展的冲击极化测试方法，分析了落锤/摆锤、SHPB、轻气炮以及炸药爆轰等加载方式诱发固体介质极化响应的差异；概述了有限元方法、分子动力学、近场动力学方法以及相场分析方法在固体介质冲击极化数值模拟领域的应用；围绕Allison理论、张裕恒理论、冲击挠曲电理论以及冲击波相关理论，总结了固体介质冲击极化的宏观唯象理论，并从固体介质微观结构、载流子输运模式、输运模型、迁移率以及态密度等方面说明了冲击极化的微观机理；分析了冲击极化效应在传感器、俘能器以及致动器等领域的应用前景，对固体介质冲击极化效应的发展趋势和需求进行了展望。
冲击波在固体介质内传播时，内部电荷随冲击波作用向两极迁移形成电势差并对外输出电压/电流的极化效应称作冲击极化效应。针对晶体、金属、陶瓷以及聚合物等典型固体介质的冲击极化效应进行了系统梳理；总结了现阶段发展的冲击极化测试方法，分析了落锤/摆锤、SHPB、轻气炮以及炸药爆轰等加载方式诱发固体介质极化响应的差异；概述了有限元方法、分子动力学、近场动力学方法以及相场分析方法在固体介质冲击极化数值模拟领域的应用；围绕Allison理论、张裕恒理论、冲击挠曲电理论以及冲击波相关理论，总结了固体介质冲击极化的宏观唯象理论，并从固体介质微观结构、载流子输运模式、输运模型、迁移率以及态密度等方面说明了冲击极化的微观机理；分析了冲击极化效应在传感器、俘能器以及致动器等领域的应用前景，对固体介质冲击极化效应的发展趋势和需求进行了展望。
2024, 44(9): 091421.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0007
摘要:
在晶格间的Tersoff势作用下分别研究了单晶体系和多晶体系中的波动传播特性。首先，在微振动的情况下，分别基于晶格间线性作用、Tersoff势作用以及含缺陷的Tersoff势作用3种势能函数研究了单晶体系中格波的传播，得到了晶格中的色散关系以及格波波速的表达式。其次，分别以碳晶格和硅晶格为例，运用有限差分方法，研究了3种势能作用下单晶体系中的波动传播过程，对比了压缩和拉伸冲击下晶格的运动差异，并讨论了入射速度对位移峰值和受力峰值的影响，揭示了单晶体系中波动传播与连续介质中波动传播的差异。最后，分别以金刚石和碳化硅为例，采用分子动力学模拟方法，研究了多晶体系中的波动传播特性，讨论了不同空间位置原子的运动差异。结果表明：多晶体系中晶格结构更复杂，其中的波动传播特性与单晶体系存在差异；缺陷的存在对波动传播规律影响显著，这种影响在多晶体系中表现得更加突出。
在晶格间的Tersoff势作用下分别研究了单晶体系和多晶体系中的波动传播特性。首先，在微振动的情况下，分别基于晶格间线性作用、Tersoff势作用以及含缺陷的Tersoff势作用3种势能函数研究了单晶体系中格波的传播，得到了晶格中的色散关系以及格波波速的表达式。其次，分别以碳晶格和硅晶格为例，运用有限差分方法，研究了3种势能作用下单晶体系中的波动传播过程，对比了压缩和拉伸冲击下晶格的运动差异，并讨论了入射速度对位移峰值和受力峰值的影响，揭示了单晶体系中波动传播与连续介质中波动传播的差异。最后，分别以金刚石和碳化硅为例，采用分子动力学模拟方法，研究了多晶体系中的波动传播特性，讨论了不同空间位置原子的运动差异。结果表明：多晶体系中晶格结构更复杂，其中的波动传播特性与单晶体系存在差异；缺陷的存在对波动传播规律影响显著，这种影响在多晶体系中表现得更加突出。
2024, 44(9): 091422.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0365
摘要:
固体介质，如岩石、混凝土、贝壳和多孔材料等均具有细观非连续、宏观连续的特性，揭示这种细观非连续性对材料动力学响应的影响规律，对于材料设计、安全防护等具有重要意义。从广义Taylor公式出发，推导了分数阶定义下的非连续介质的一维波动方程，引入等效分数阶简化了控制方程。利用有限差分法得到了控制方程的数值解，结果表明：控制方程中的等效分数阶阶数越小，计算得到的波形衰减的程度越大。为了验证方程的可靠性，并进一步研究非连续介质的波传播规律，在考虑多孔材料、岩石等介质的结构特征的基础上，基于ABAQUS软件建立了随机多孔介质模型。分析发现：多孔介质的波传播受到介质细观非连续程度、材料属性和输入波脉宽的影响，但对应的等效分数阶阶数只与介质细观非连续程度相关，因此，其可以作为评价非连续介质动态响应的一个依据。等效分数阶阶数随着孔隙率的增加而减小，孔洞相对数量分布大致相同的情况下，其统计关系近似呈线性关系。研究结果可为研究多孔材料、贝壳等细观非连续介质的波动传播提供新思路。
固体介质，如岩石、混凝土、贝壳和多孔材料等均具有细观非连续、宏观连续的特性，揭示这种细观非连续性对材料动力学响应的影响规律，对于材料设计、安全防护等具有重要意义。从广义Taylor公式出发，推导了分数阶定义下的非连续介质的一维波动方程，引入等效分数阶简化了控制方程。利用有限差分法得到了控制方程的数值解，结果表明：控制方程中的等效分数阶阶数越小，计算得到的波形衰减的程度越大。为了验证方程的可靠性，并进一步研究非连续介质的波传播规律，在考虑多孔材料、岩石等介质的结构特征的基础上，基于ABAQUS软件建立了随机多孔介质模型。分析发现：多孔介质的波传播受到介质细观非连续程度、材料属性和输入波脉宽的影响，但对应的等效分数阶阶数只与介质细观非连续程度相关，因此，其可以作为评价非连续介质动态响应的一个依据。等效分数阶阶数随着孔隙率的增加而减小，孔洞相对数量分布大致相同的情况下，其统计关系近似呈线性关系。研究结果可为研究多孔材料、贝壳等细观非连续介质的波动传播提供新思路。
2024, 44(9): 091423.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0438
摘要:
非均匀介质在自然界中十分常见，针对细观非均匀介质的波动力学行为和非均匀性描述的研究具有重要意义并充满挑战。建立了反映细观非均匀材料压剪耦合特性的一般压剪耦合本构关系，提出了描述材料非均匀性的耦合系数，并建立了广义波动方程。广义波动方程数值分析表明，耦合系数的正负、取值和组合与应力/应变张量共同影响耦合波动传播过程。作为算例，给出了一阶近似的压剪耦合参数确定的本构关系以及3个压剪耦合特征波速的表达式，并利用有限差分法得到了耦合压缩波和剪切波的传播过程。研究了4个非均匀性耦合系数对应力状态、耦合波速和波传播过程的影响。耦合压缩波速反映了剪切对压缩的耦合效应和体积压实效应2种机制的竞争，耦合剪切波速反映了压缩对剪切的耦合效应和介质持续畸变带来的剪切弱化效应2种机制的竞争。这些机制可通过压剪耦合参数的不同组合来实现。应用真三轴实验系统测量了花岗岩、由砂浆制成的模型材料、具有粗骨料的水泥砂浆制成的材料3种非均匀介质在不同压剪应力下的纵波波速。结果表明，体积压实效应普遍存在，而非均匀程度越高，材料伸缩的同时完成切向的畸变导致压缩波的速度显著降低，剪切对纵波波速的影响越占据主导。理论计算结果与实验结果整体趋势基本一致。本研究可为非均匀材料的波速和动态力学性能研究提供物理机制方面的解释。
非均匀介质在自然界中十分常见，针对细观非均匀介质的波动力学行为和非均匀性描述的研究具有重要意义并充满挑战。建立了反映细观非均匀材料压剪耦合特性的一般压剪耦合本构关系，提出了描述材料非均匀性的耦合系数，并建立了广义波动方程。广义波动方程数值分析表明，耦合系数的正负、取值和组合与应力/应变张量共同影响耦合波动传播过程。作为算例，给出了一阶近似的压剪耦合参数确定的本构关系以及3个压剪耦合特征波速的表达式，并利用有限差分法得到了耦合压缩波和剪切波的传播过程。研究了4个非均匀性耦合系数对应力状态、耦合波速和波传播过程的影响。耦合压缩波速反映了剪切对压缩的耦合效应和体积压实效应2种机制的竞争，耦合剪切波速反映了压缩对剪切的耦合效应和介质持续畸变带来的剪切弱化效应2种机制的竞争。这些机制可通过压剪耦合参数的不同组合来实现。应用真三轴实验系统测量了花岗岩、由砂浆制成的模型材料、具有粗骨料的水泥砂浆制成的材料3种非均匀介质在不同压剪应力下的纵波波速。结果表明，体积压实效应普遍存在，而非均匀程度越高，材料伸缩的同时完成切向的畸变导致压缩波的速度显著降低，剪切对纵波波速的影响越占据主导。理论计算结果与实验结果整体趋势基本一致。本研究可为非均匀材料的波速和动态力学性能研究提供物理机制方面的解释。
2024, 44(9): 091424.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0046
摘要:
脆性细长结构在弯曲载荷作用下突然断裂，可能导致断裂点附近出现二次断裂。传统的Euler-Bernoulli梁理论难以描述突加载荷或突卸载荷所导致的波动现象，而Timoshenko梁中的弯曲波速度为有限值，具有一个内禀特征时间，因此基于Timoshenko梁理论来分析弹性梁的弯曲断裂问题。使用Timoshenko梁理论，结合一个包含断裂能的脆性内聚力弯曲断裂模型，建立一维弯曲波传播问题的初边值问题，采用特征线方法求解3种边界条件下半无限长梁中卸载弯曲波的传播问题；进一步分析了断裂能对断裂时间以及峰值弯矩的影响，然后通过数值计算给出这3种情况下梁的动力学响应过程。研究结果表明：处于纯弯曲状态的梁一旦发生瞬时断裂，二次断裂发生点距离初次断裂点的最短距离为梁截面回转半径的5倍，因为该距离以内的弯矩不会出现过冲；最有可能发生二次断裂的位置与无量纲断裂能和无量纲开裂角度有关，在距离初始断裂点17.7个特征长度的位置会产生幅值达到1.67倍初始弯矩的峰值弯矩；较大的断裂能将延长断裂时间，导致弯矩峰值点位置偏远，相应的峰值载荷也降低。
脆性细长结构在弯曲载荷作用下突然断裂，可能导致断裂点附近出现二次断裂。传统的Euler-Bernoulli梁理论难以描述突加载荷或突卸载荷所导致的波动现象，而Timoshenko梁中的弯曲波速度为有限值，具有一个内禀特征时间，因此基于Timoshenko梁理论来分析弹性梁的弯曲断裂问题。使用Timoshenko梁理论，结合一个包含断裂能的脆性内聚力弯曲断裂模型，建立一维弯曲波传播问题的初边值问题，采用特征线方法求解3种边界条件下半无限长梁中卸载弯曲波的传播问题；进一步分析了断裂能对断裂时间以及峰值弯矩的影响，然后通过数值计算给出这3种情况下梁的动力学响应过程。研究结果表明：处于纯弯曲状态的梁一旦发生瞬时断裂，二次断裂发生点距离初次断裂点的最短距离为梁截面回转半径的5倍，因为该距离以内的弯矩不会出现过冲；最有可能发生二次断裂的位置与无量纲断裂能和无量纲开裂角度有关，在距离初始断裂点17.7个特征长度的位置会产生幅值达到1.67倍初始弯矩的峰值弯矩；较大的断裂能将延长断裂时间，导致弯矩峰值点位置偏远，相应的峰值载荷也降低。
2024, 44(9): 091425.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0368
摘要:
形状记忆合金在受到强冲击荷载作用时会发生相变，而相变对其结构件的动态力学响应影响显著。本文采用同时考虑静水压力和偏应力影响的相变临界准则，推导了增量型的相变本构模型。基于广义特征理论，得到了复杂应力状态下特征波速的解析表达式。特征波速不仅和材料本身的力学参数（如拉压不对称性和混合相的模量）有关，还和材料所处的应力状态有关。对因相变导致体积膨胀的TiNi合金而言，拉压不对称性系数的增大会提高慢波的波速，而对快波几乎没有影响。在相变椭圆的短轴处(α = 90°)，慢波的波速最低，并随混合相无量纲模量的增大而显著减低，混合相无量纲模量由2增加至5时，波速降低幅度为36.2%，而快波的波速达到最大值c0，和混合相的模量无关；在相变椭圆的长轴处(α = 180°)，慢波的速度达到最大值，而快波的波速达到最小值c2。
形状记忆合金在受到强冲击荷载作用时会发生相变，而相变对其结构件的动态力学响应影响显著。本文采用同时考虑静水压力和偏应力影响的相变临界准则，推导了增量型的相变本构模型。基于广义特征理论，得到了复杂应力状态下特征波速的解析表达式。特征波速不仅和材料本身的力学参数（如拉压不对称性和混合相的模量）有关，还和材料所处的应力状态有关。对因相变导致体积膨胀的TiNi合金而言，拉压不对称性系数的增大会提高慢波的波速，而对快波几乎没有影响。在相变椭圆的短轴处(α = 90°)，慢波的波速最低，并随混合相无量纲模量的增大而显著减低，混合相无量纲模量由2增加至5时，波速降低幅度为36.2%，而快波的波速达到最大值c0，和混合相的模量无关；在相变椭圆的长轴处(α = 180°)，慢波的速度达到最大值，而快波的波速达到最小值c2。
2024, 44(9): 091441.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0030
摘要:
定量研究分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar，SHPB）试验中弹性压缩阶段试件中的应力波效应是解耦准确材料弹性曲线的基础。在满足平面波假设的基础上，基于广义波阻抗理论，对杆与试件面积不匹配时试件弹性压缩阶段应力波演化造成的结构效应开展了定量理论研究，分析了不同情况下弹性阶段内试件唯象工程及实际材料应力-应变曲线的偏差特征与主要因素，并揭示了影响这种偏差的影响规律及其机理。研究表明：对于线性入射加载波，当无量纲时间为0.5的倍数时，即使其他参数改变，试件唯象与材料实际的应力-应变曲线仍对应相等；试件两端的应力差较大时，若应力差的变化趋于稳定，则试件唯象与材料实际的应力-应变曲线差异较小。计算了不同波动区间内试件的最大应力偏离值及其变化趋势和对应的无量纲时间，研究了入射波是双线性组合波时试件的应力-应变曲线。研究表明：双线性波入射时，2个线性区间可以独立分析，无论如何组合线性区间或应力差如何变化，只要试件两端应力差为近似恒定曲线，对应的试件唯象工程应力-应变曲线都是相对准确的。
定量研究分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar，SHPB）试验中弹性压缩阶段试件中的应力波效应是解耦准确材料弹性曲线的基础。在满足平面波假设的基础上，基于广义波阻抗理论，对杆与试件面积不匹配时试件弹性压缩阶段应力波演化造成的结构效应开展了定量理论研究，分析了不同情况下弹性阶段内试件唯象工程及实际材料应力-应变曲线的偏差特征与主要因素，并揭示了影响这种偏差的影响规律及其机理。研究表明：对于线性入射加载波，当无量纲时间为0.5的倍数时，即使其他参数改变，试件唯象与材料实际的应力-应变曲线仍对应相等；试件两端的应力差较大时，若应力差的变化趋于稳定，则试件唯象与材料实际的应力-应变曲线差异较小。计算了不同波动区间内试件的最大应力偏离值及其变化趋势和对应的无量纲时间，研究了入射波是双线性组合波时试件的应力-应变曲线。研究表明：双线性波入射时，2个线性区间可以独立分析，无论如何组合线性区间或应力差如何变化，只要试件两端应力差为近似恒定曲线，对应的试件唯象工程应力-应变曲线都是相对准确的。
2024, 44(9): 091442.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0045
摘要:
为了研究均匀/梯度多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的耦合响应过程和多胞子弹对夹芯梁的加载效果，对该冲击过程开展了理论分析、数值模拟和试验研究：通过将泡沫夹芯梁等效为单梁以简化分析，基于多胞子弹的冲击波模型和泡沫夹芯梁的等效单梁响应模型，构建了多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的耦合分析模型，给出了冲击过程中各响应阶段的控制方程，并结合龙格-库塔方法对方程进行了数值求解；基于三维Voronoi技术，开展了均匀/梯度多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的细观有限元模拟；在多胞子弹的冲击测试平台上进行了试验研究，结合高速摄影技术获取了多胞子弹和泡沫夹芯梁的速度响应。结果表明：耦合分析模型可以准确地预测多胞子弹和泡沫夹芯梁的速度历程曲线以及多胞子弹产生的冲击压强；在初始动量相同但密度分布或初速度不同的多胞子弹冲击下，同一构型的泡沫夹芯梁展现出不同的力学响应，这说明多胞子弹的加载不能简单地等效为脉冲加载，多胞子弹与夹芯梁之间的耦合效应不可忽略；相较于均匀多胞子弹，梯度多胞子弹的冲击压力波形更加尖锐，在其衰减过程中展现出更强的非线性特征。
为了研究均匀/梯度多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的耦合响应过程和多胞子弹对夹芯梁的加载效果，对该冲击过程开展了理论分析、数值模拟和试验研究：通过将泡沫夹芯梁等效为单梁以简化分析，基于多胞子弹的冲击波模型和泡沫夹芯梁的等效单梁响应模型，构建了多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的耦合分析模型，给出了冲击过程中各响应阶段的控制方程，并结合龙格-库塔方法对方程进行了数值求解；基于三维Voronoi技术，开展了均匀/梯度多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的细观有限元模拟；在多胞子弹的冲击测试平台上进行了试验研究，结合高速摄影技术获取了多胞子弹和泡沫夹芯梁的速度响应。结果表明：耦合分析模型可以准确地预测多胞子弹和泡沫夹芯梁的速度历程曲线以及多胞子弹产生的冲击压强；在初始动量相同但密度分布或初速度不同的多胞子弹冲击下，同一构型的泡沫夹芯梁展现出不同的力学响应，这说明多胞子弹的加载不能简单地等效为脉冲加载，多胞子弹与夹芯梁之间的耦合效应不可忽略；相较于均匀多胞子弹，梯度多胞子弹的冲击压力波形更加尖锐，在其衰减过程中展现出更强的非线性特征。
2024, 44(9): 091443.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0380
摘要:
霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar，SHPB）实验中试件的应力不均匀对应力-应变曲线的弹性阶段有显著影响，而弹性阶段是研究混凝土等低声速材料或高应变率加载条件下某些金属材料的关键。针对一维杆系统，利用一维弹性增量波理论，推导了线性入射波作用时应力应变和杨氏模量的解析式，研究了试件两端应力差和速度差对试件弹性阶段曲线及杨氏模量准确性的影响；进一步给出了任意形状入射波作用下试件弹性阶段曲线和切线杨氏模量的求解方法，分析了入射波斜率和形状特征对试件应力均匀性及曲线的影响。结果表明：试件弹性阶段曲线及杨氏模量的准确性与试件两端应力差的变化趋势有关，但并不完全依赖试件两端应力差，与入射波斜率、形状特征以及试件屈服强度等因素耦合相关；线性加载波斜率增大，切线模量和割线模量与实际值的差异均增大，在斜率较大时，割线模量的准确性要高于切线模量；入射波形状以正弦波为参考，曲线的初始斜率低时，切线模量的准确性高于割线模量，曲线的初始斜率高时则相反。
霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar，SHPB）实验中试件的应力不均匀对应力-应变曲线的弹性阶段有显著影响，而弹性阶段是研究混凝土等低声速材料或高应变率加载条件下某些金属材料的关键。针对一维杆系统，利用一维弹性增量波理论，推导了线性入射波作用时应力应变和杨氏模量的解析式，研究了试件两端应力差和速度差对试件弹性阶段曲线及杨氏模量准确性的影响；进一步给出了任意形状入射波作用下试件弹性阶段曲线和切线杨氏模量的求解方法，分析了入射波斜率和形状特征对试件应力均匀性及曲线的影响。结果表明：试件弹性阶段曲线及杨氏模量的准确性与试件两端应力差的变化趋势有关，但并不完全依赖试件两端应力差，与入射波斜率、形状特征以及试件屈服强度等因素耦合相关；线性加载波斜率增大，切线模量和割线模量与实际值的差异均增大，在斜率较大时，割线模量的准确性要高于切线模量；入射波形状以正弦波为参考，曲线的初始斜率低时，切线模量的准确性高于割线模量，曲线的初始斜率高时则相反。
2024, 44(9): 091444.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0433
摘要:
针对充填体试样SHPB(split Hopkinson pressure bar)试验测试中存在的透射波测量的难点问题，采用岩石长杆代替钢杆作为入射杆和透射杆的方法改进摆锤冲击加载SHPB试验系统，探讨了SHPB试验中黏弹性波的传播及波阻抗匹配问题；基于应力波在岩石杆件系统中的传播规律研究，定义了应力波在入射杆和透射杆上传播的黏性衰减系数、试样-岩杆界面的透反射衰减系数；基于Kelvin-Voigt模型，利用一维波动分析程序，得到了岩石杆件-充填体的波阻抗匹配系数与透反射衰减系数的关系；依据现场充填体特性、波阻抗匹配系数和透反射衰减系数，选取了四种岩石长杆改进摆锤冲击加载SHPB试验装置；利用一维波动分析程序，计算了岩杆的黏性系数、充填体和岩杆界面的应力和应变，分析了透射波的波形特征和信噪比，发现四种岩石与充填体波阻抗的匹配程度从好到差依次为绿砂岩、花岗岩、大理岩、玄武岩；建立了以绿砂岩为入射杆和透射杆的摆锤冲击加载SHPB试验系统，开展了充填体的动态冲击试验，验证了试样中的应力平衡。
针对充填体试样SHPB(split Hopkinson pressure bar)试验测试中存在的透射波测量的难点问题，采用岩石长杆代替钢杆作为入射杆和透射杆的方法改进摆锤冲击加载SHPB试验系统，探讨了SHPB试验中黏弹性波的传播及波阻抗匹配问题；基于应力波在岩石杆件系统中的传播规律研究，定义了应力波在入射杆和透射杆上传播的黏性衰减系数、试样-岩杆界面的透反射衰减系数；基于Kelvin-Voigt模型，利用一维波动分析程序，得到了岩石杆件-充填体的波阻抗匹配系数与透反射衰减系数的关系；依据现场充填体特性、波阻抗匹配系数和透反射衰减系数，选取了四种岩石长杆改进摆锤冲击加载SHPB试验装置；利用一维波动分析程序，计算了岩杆的黏性系数、充填体和岩杆界面的应力和应变，分析了透射波的波形特征和信噪比，发现四种岩石与充填体波阻抗的匹配程度从好到差依次为绿砂岩、花岗岩、大理岩、玄武岩；建立了以绿砂岩为入射杆和透射杆的摆锤冲击加载SHPB试验系统，开展了充填体的动态冲击试验，验证了试样中的应力平衡。
