航空航天系宋振华课题组揭示冰的动态剪切力学特性和失效准则

发布时间:2022-04-26浏览次数:14


冰作为一种自然物质,对飞机航空和舰船航行的安全都有不可忽视的影响。传统研究普遍认为冰的失效主要受拉伸和压缩破坏主导,并据此建立了大量基于拉、压应力和应变等参数的材料本构模型和失效判定准则以评估冰的材料力学特性和失效响应。但随着研究深入有科学家发现,当冰在特定的受力状态下也会出现剪切破坏失效。而这一现象颠覆了传统认知,并说明传统的冰材料本构模型及失效判定准则在一定程度上存在缺失,可能会影响其相关力学计算和评估结果的准确性。

基于如上原因,航空航天系宋振华课题组以冰在大应变率下的动态剪切力学性能为研究目标,设计了可用于定量分析冰剪切失效的纤维增强帽型试件,并利用霍普金森压杆技术在低温环境下对其开展了大应变率动态剪切力学性能测试。在此基础上建立了冰在复杂应力状态下综合考虑主应力和剪切失效的Mohr-Coulomb失效判定准则,为完善相关冰材料的失效判定和本构模型建立提供了新思路和理论依据。该研究还发现,冰的动态剪切力学性能具有很高的应变率敏感性,其在Mohr-Coulomb失效准则中的内摩擦角为恒定常量,但内聚力具有较高的应变率敏感性。

1低温环境下冰材料SHPB动态剪切力学性能测试

此外,相关冰剪切力学性能测试试件的设计方法和利用半导体制冷技术的霍普金森杆低温测试手段为该课题组首创。相关测试技术较传统液氮制冷具有更高的可靠性和安全性,可为低温条件下的材料动态力学性能测试提供新的技术支撑。

该工作由复旦大学航空航天系宋振华课题组独立完成,相关成果以论文形式发表于国际冲击动力学顶级学术期刊INT J IMPACT ENG上。宋振华青年研究员为本文的第一作者,参与研究的还有硕士研究生陈锐、于灿文和博士研究生郭东灵。复旦大学航空航天系为该论文的通讯单位。该研究受到了国家自然科学基金委员会(NSFC No.11972006)的资助。

原文连接:https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2022.104254