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高应变率力学响应
下图展示了不同应变率下对应的技术:
图:根据应变率对测试技术进行分类的示意图。
早在1905年,Bertram Hopkinson就对钢进行了一系列动态实验,得出的结论是,钢的动态强度至少是其低应变率强度的两倍。他没有任何复杂的测量方法,但他的结果非常正确。他在第一次世界大战中作为一名飞行员不幸去世,缩短了他辉煌的职业生涯。众所周知,当应变率增加时,钢会经历延性到脆性的转变。因此,科学家们对应变率对材料强度的影响感到好奇是正常的。反应差异很大,因此有必要测试单个材料以获得具体信息。如果计算代码要现实,那么流动应力的应变率依赖性在计算代码中是必要的。当压力足够低,材料强度是一个重要参数时,它们是流体动力学代码中使用的本构模型的重要组成部分。作为一个例子,我们给出了一个常用的本构方程。它被称为约翰逊-库克方程,其形式为
应该注意的是,这只是本构方程的一种形式。已经有很多尝试,但人们没有能力根据第一性原理预测参数。
下图显示了商业纯钛和钽的应力-应变响应。钽的高应变率曲线是等温的,是通过顺序压缩钽获得的。
图:(a) 应变率对应力-应变响应的影响;(b)对钽的影响。
随着应变率的增加,流动应力的逐渐增加是明显的。这种效应被称为应变率敏感性。
克利夫顿报道,当应变率达到1E5 1/是量级时,流动应力急剧增加。这些结果非常重要,它们可以对聚能射孔弹和其他事件的计算预测产生深远的影响。这种剧烈的硬化在下图中清晰可见。传统的本构方程无法适应这种强度的增加,需要对方程进行特殊修改。这种上升导致一些科学家相信,确实存在一个极限应变率,在该应变率下,材料的强度变为无穷大。
图:1100-0铝的流动应力(在不同静应变下)对剪切应变率的依赖性。
有以下两点是需要注意的: