实现材料高应变率拉伸加载的爆炸膨胀环技术

设计了新型的爆炸膨胀环实验加载装置,加载装置中采用爆炸丝线起爆方式,避免了传统装置中对碰爆轰波加载时的应力不均匀性。利用新型的爆炸膨胀环实验技术研究了无氧铜材料的动态性能,利用激光位移干涉仪测量了试样环的径向速度历史,处理数据获得了无氧铜材料的流动应力-塑性应变-应变率的关系,为进一步利用爆炸膨胀环实验技术研究材料在高应变率拉伸加载时的本构关系奠定了基础。     

爆炸膨胀环实验技术初步研究

为避免对碰爆轰波加载时的应力不均匀性,初步建立了爆炸丝线起爆方式的爆炸膨胀环实验技术。长度为200mm、直径为0．175mm的铜丝爆炸同步性小于0．2μs,基本实现了同步起爆粉末泰安炸药,通过膨胀环实验初步获得无氧铜试样环的膨胀速度历史,为进一步利用爆炸膨胀环实验研究材料的高应变率拉伸加载时的本构关系奠定了基础。     

膨胀环实验平台及其在材料动力学行为研究中的应用

分析了目前膨胀环实验技术的研究现状,介绍了本课题组搭建的电磁膨胀环和爆炸膨胀环实验平台,着重介绍了其原理和主要性能参数。爆炸膨胀环实验中提出了一种新的爆炸丝起爆方式,电磁膨胀环平台中使用了一种先进的三电极开关实现电流截断。膨胀环的传统研究方向为材料的断裂行为、破片的统计规律、材料的动态拉伸本构等,本课题组将其拓展到材料在冲击拉伸加载下的损伤演化规律、裂纹的扩展速度等研究领域。本文对膨胀环平台的主要应用研究进行了一个较全面系统的总结概括,并指出今后膨胀环平台应用研究的主要方向。     

液压膨胀环恒应变率加载技术

膨胀环实验技术主要包括爆炸膨胀环实验技术和电磁膨胀环实验技术,实验过程中膨胀环的加载应变率在达到峰值后会随着圆环的膨胀而迅速降低,给研究应变率敏感材料的拉伸碎裂带来极大的不便。在前期提出的液压膨胀环实验技术的基础上,发展了一种恒应变率加载技术。首先,从理论上获得了实现金属圆环恒应变率膨胀所需的液压加载曲线的近似表达式;然后,采用有限元流固耦合数值模拟了液压膨胀环装置中1060-O铝环的膨胀碎裂过程,在给定液压加载曲线下,膨胀环的环向应变率在应变率稳定阶段上下波动范围最大不超过20%;并进一步研究了加载曲线对碎裂过程中应变率的影响规律。在液压膨胀环实验装置上对1060-O铝环开展了膨胀环实验,验证了恒应变率加载技术的可行性。     

膨胀环受力历史对应力应变关系的影响

利用两类实验装置开展了无氧铜TU1膨胀环实验研究,发现:电磁膨胀环在加载阶段,样品受体力作用,满足均匀变形的假定;而爆炸膨胀环在加载阶段,样品内壁受面力冲击作用,不满足均匀变形的假定。针对这个差异,发展了一种考虑冲击阶段变形不均匀性的新方法,利用回收样品几何变形,将冲击阶段试样环内轴向塑性应变、径向塑性应变纳入等效塑性应变的计算中,通过修正后的方法更准确地获得了材料的应力应变关系。     

爆炸膨胀环的截面尺寸效应

利用爆炸膨胀环实验数据修正了无氧铜的J-C本构模型参数,计算获得的速度历史与实验测试结 果吻合。通过数值模拟研究了膨胀环宽度对速度历史、应力状态的影响,发现:对厚度1mm 的膨胀环,加载 速度峰值随着膨胀环宽度的增加而增加,当宽度超过8mm 后速度峰值不再变化;膨胀环宽度不超过2mm 时,能较好满足1维应力状态的假定。膨胀环的应力状态在一定范围内具有明显的尺寸效应,可为爆炸膨胀 环的试样尺寸设计提供参考。     

高应变率拉伸加载下无氧铜的本构模型

为了研究材料在高应变率拉伸加载下的动态响应,利用新型爆炸膨胀环实验技术开展了无氧铜试 样环的拉伸加载实验,采用激光干涉测试技术获得了试样环拉伸变形过程的径向速度历史。数值计算发现经 典JC模型不能较好地描述无氧铜试样环的膨胀过程,于是对JC模型进行了修改:增加了应变的指数硬化项 来描述拉伸变形的累积效应;增加了应变率的线性项描述拉伸加载时的应变率效应;利用实验数据拟合了修 改后的RJC模型参数,最终较好描述了无氧铜试样环的膨胀变形过程。     

玻纤增强复合材料高应变率拉伸实验研究

利用爆炸膨胀环实验技术,对玻璃纤维增强复合材料(GFRC)进行了高应变率(104s-1)下力学性能研究。实验中使用铜丝汽化引爆装药的方法对驱动环进行能量加载,并采用激光速度干涉仪(VISAR)测量试样环自由膨胀的质点速度,实现了玻璃纤维增强复合材料在104应变率下的一维拉伸破坏,并获取了该材料的速度时间曲线。经过计算得到了材料的应力应变关系,最后与该材料在准静态下、中高应变率下实验得到的数据进行了比较。     

预置圆孔膨胀环动态断裂行为研究

利用中心线起爆膨胀环加载技术,采用分幅摄影技术观测了20号钢圆环在准一维拉伸作用下,预置圆孔缺陷临近区域的动态断裂特征。获得了高应变率下圆孔的变形、裂纹的萌生及扩展过程。并采用LS-DYNA3D有限元程序分步建模,将驱动器对膨胀环的冲击压力简化为直接作用于圆环内壁的压力历史,以此模拟了整个断裂过程。通过实验图像,得到裂纹尖端的位移以及速度随时间变化的曲线。结果表明,宏观可见裂纹出现于应力集中最大处,裂纹扩展速度随时间振荡,数值模拟与实验结果吻合较好。     

电磁膨胀环实验设计的关键因素

为了更好地研究电磁膨胀环实验加载技术,利用带有电磁模块的LS DYNA三维动力学有限元程序对电磁膨胀环加载过程进行三维数值模拟。分析了螺线圈绕法、加载电流波形、膨胀环截面尺寸和轴向位移对电磁膨胀环实验结果的影响。计算结果表明,连接带缺口螺线圈的圆圈绕线方法优于均匀过渡绕法,加载电流峰值与膨胀环径向速度峰值近似成线性关系,适当增加膨胀环截面轴向的宽度可提高膨胀环运动稳定性,双螺线圈模型可有效减小膨胀环轴向位移。     

A two-dimensional lagrangian technique for flow field measurement under high dynamic pressure

In this paper, a two-dimensional (2-D) Langrangian technique for flow field measurement under high dynamic pressure is presented, which included a set of experimental device and 2-D Lagrange composite manganin-constantan ring gages. With this kind of gage, the histories of pressure and radial displacement can be measured simultaneously at different Lagrange positions in an axisymmetric shock loading flow field. The technique has some advantages over the 1-D one, such as, simplified loading device, continuously adjustable output pressure, no restriction on sample length and the availability for the study of lateral rarefaction in shock propogation. As a preliminary application, the processes of 2-D shock initiation and attenuation in compacted TNT are measured.     

PMMA膨胀环动态拉伸碎裂实验研究

在强动载作用下, 脆性材料的碎裂问题是一个重要的研究课题, 而脆性材料在冲击拉伸载荷下的力学行为的实验研究相对较匮乏. 提出了一种动态拉伸断(碎)裂的液压膨胀环实验技术, 可用于准脆性/脆性材料的动态拉伸. 利用该技术对有机玻璃(PMMA)圆环试件进行了不同膨胀速度下的动态碎裂实验研究. 从回收碎片的断口形貌和碎片内部残余裂纹观察可知试件的破碎由环向拉伸应力造成, 碎片断口处发出的稀疏波会将周围的拉伸应力卸载, 从而抑制其他裂纹的进一步发展. 利用超高速相机记录了试件的膨胀碎裂过程, 利用DISAR激光速度干涉仪获得了试件外表面粒子的径向膨胀速度历史, 通过试件上的应变片获得了试件的应变历史和断裂应变. 实验结果表明: 在拉伸应变率150\mathrm{~}500s^{-1}范围, 材料的动态断裂应变低于准静态加载下的断裂应变, 体现出“动脆”现象; 随着加载应变率的提高, PMMA 材料的碎片尺寸减小; 无量纲化的PMMA圆环的平均碎片尺寸介于韧性碎裂模型和脆性碎裂模型的预测数值之间, 反映出材料的准脆性特性.      

液压膨胀环动态拉伸碎裂的有限元模拟

液压冲击膨胀环实验平台能有效地实现韧性金属圆环在高应变率拉伸载荷作用下的动态断（碎）裂。本文采用流固耦合的有限元数值计算方法，模拟了实验过程中金属圆环在高压液体作用下的运动、变形和断裂现象。分析了装置和试件的接触应力对试件碎裂过程的影响并讨论了如何实现液压对试件的有效加载。计算结果表明，实验中的初始接触应力和液体的较长时间加载对试件的碎裂过程没有显著影响；在合理的加载条件下，液压膨胀环实验技术是研究固体动态拉伸碎裂的有效手段。     

石英玻璃圆环高速膨胀碎裂过程的离散元模拟

采用离散元算法模拟了石英玻璃圆环受到外加动态载荷时的力学行为. 首先基于flat-jointed粘结模型,通过标准的单轴拉压、三点弯曲等数值实验来标定了石英玻璃的微观参数. 在此模型基础上,数值模拟再现了石英玻璃圆环在不同应变率下的膨胀碎裂过程. 为定量分析数值模拟结果,需要准确确定圆环的碎裂发生时刻. 模拟发现:伴随着石英玻璃圆环的断裂,圆环外表面粒子径向膨胀速度的时程曲线会发生突然升高然后下降的跳动;详细分析表明,这种跳动源自周向的脆性断裂诱发的卸载波(周向拉伸应力急剧下降)以及伴随而来的泊松膨胀,这种径向速度跳动现象为实验中检测脆性断裂发生时刻提供了可能. 进一步的数值研究表明:(1)石英玻璃圆环的断裂应变随着应变率的提高而增大,与韧性金属材料的膨胀环实验结果一致;(2)石英玻璃圆环的碎片平均质量随着应变率的增大而减小;(3)数值计算获得的碎片平均尺寸与已有的理论和实验结果比较吻合. 利用液压膨胀环实验装置对石英玻璃圆环进行了验证性实验,回收得到的碎片形貌及碎片个数与数值模拟的结果基本一致.      

基于气炮实验的PTFE/Al复合材料冲击反应阈值

基于16 mm口径气炮撞击实验,对铝颗粒增强的聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)/Al(PTFE/Al)冲击反应复合材料的冲击反应阈值开展了研究。为研究不同撞击加载条件下应变率和碰撞应力对PTFE/Al冲击诱发反应的影响,实验中采用铝、钢和低密度聚乙烯(low density polyethylene, LDPE)这3种不同材料的靶板及不同长度的试样,进行不同加载条件下的测试分析。实验结果显示,PTFE/Al材料的冲击诱发同时受到碰撞压力和加载应变率的影响。同时,通过对试样撞靶过程进行数值模拟,并与实验和理论结果进行对比。基于实验数据,拟合出PTFE/Al材料冲击反应的的预测曲线。