[发明专利]高速冲击异形件正交异性弹性常数虚场同步表征法

说明书

本发明涉及一种高速冲击异形件正交异性弹性常数虚场同步表征法，通过设计适当的异形件高速冲击加载构型，使试件在单向冲击条件下亦可产生均衡的正应变和剪切应变，同时，建立正交异性弹性参数的动态虚场识别算法，并采用最小二乘全局优化的方法从多个冲击加载时刻中同步、准确地识别正交异性弹性的所有参数。与背景技术相比，本发明不受一维应力波和均匀变形状态假设条件的限制，仅需通过子弹的一次直接撞击和试件高速变形场的获取，即可实现正交异性弹性的多参数全局表征，可最大程度的减少实验数量，同时，无需霍普金森杆法中庞大的杆系统，简化了实验装置。

技术领域

本发明属于材料动态力学属性表征方法，涉及一种高速冲击异形件正交异性弹性常数虚场同步表征法，特别涉及一种基于动态虚场法的材料高速冲击下正交异性弹性属性多参数同步表征方法。

背景技术

在航空、航天、兵器等领域中，飞行器、装甲车等装备时常遭受到飞鸟、弹片、冲击波等外物的高速冲击，其结构材料在高速冲击条件下的动态力学属性与结构的变形、失效等行为紧密相关。材料的动态力学属性通常与准静态条件下具有显著差异，直接影响着装备的服役安全。同时，诸如纤维增强复合材料、合金板材等先进结构材料因其成形工艺和组织结构特点而具有显著的力学属性各向异性，使得材料结构的动态变形、失效行为更为复杂。长期以来，国内外主要采用霍普金森压力杆系统来表征材料高速冲击条件下的动态力学属性。作为目前应用最为广泛的动态力学属性测试方法，霍普金森杆法亦存在一定局限性。首先，这类方法受限于一维应力波传递和均匀应力应变状态的前提条件，对于材料各向异性力学属性的表征，需沿不同材料方向开展多次冲击实验，其过程复杂繁琐，且在上述前提条件下，霍普金森杆法亦难以从单调的应力应变状态中实现各向异性材料拉剪耦合、双拉耦合等复杂效应的属性参数表征。其次，常规的霍普金森杆法对于橡胶等低阻抗材料难以适用，这是由于低阻抗材料中应力波传递速度低，试件受到霍普金森杆冲击后达到平衡状态所需时间长，影响了系统的有效测试时间，且低阻抗试件与高阻抗冲击杆之间的阻抗差异还可造成采集信号的衰减和噪音影响的加大。

随着超高速成像技术与数字图像相关技术的快速发展，使用更为丰富的全场变形数据提取材料动态力学属性已成为可能。文献“Pierron F,et al.,PhilosophicalTransactions of the Royal Society A,2014,372(2023),20130195”设计开展了矩形板件的高速冲击加载构型和实验，基于动态条件形式的虚场法，从子弹直接撞击试件时试件惯性效应下的高速应变场和加速度场数据中反求出材料的杨氏模量和泊松比。上述方法虽实现了动态条件下各向同性弹性常数的准确识别，但是，对于各向异性弹性常数，其表征精度受到试件应力应变状态的显著影响，采用等截面试件冲击加载的方法难以保证各向异性参数的全局准确表征。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种高速冲击异形件正交异性弹性常数虚场同步表征法。

技术方案

一种高速冲击异形件正交异性弹性常数虚场同步表征法，其特征在于步骤如下：

步骤1、开展异形试件高速冲击实验：在异形试件表面喷涂散斑；采用空气炮发射子弹，子弹直接高速撞击异形试件的一端；拍摄高速冲击下试件惯性加速阶段的数字图像；采用数字图像相关对数字图像进行计算，得到试件高速冲击下惯性加速阶段的全场变形场，对变形场计算得到应变场、应变率场和加速度场以及每一点的加速度a；

步骤2、针对正交各向异性弹性参数构建动态条件下任一加载时刻的虚场本构参数识别算法：

根据平衡方程

正交各向异性弹性，应力张量σ