Fragmentations of solids under impact tension

固体材料在冲击拉伸载荷作用下常常会断裂成多个碎片(碎片化),固体材料碎片化的物理机制是多点损伤同时在固体中成核和发展,导致固体多处破坏.自Mott对固体的动态碎裂问题进行了开创性研究后,几十年来,对固体动态碎裂机制的研究一直是应用物理学、力学、航天和兵器工程等领域共同关心的重要课题.本文介绍了在冲击拉伸载荷作用下固体的动态碎裂研究的发展历史,给出相关的理论分析、实验研究和数值模拟的研究进展,特别针对现有的各种关于碎片尺度、碎片分布、以及碎片化物理机制的理论模型进行了较详尽的阐述和讨论,最后指出现有实验和理论研究中仍然存在的关键科学问题及进一步的研究展望.     

固体的冲击拉伸碎裂

固体材料在冲击拉伸载荷作用下常常会断裂成多个碎片(碎片化),固体材料碎片化的物理机制是多点损伤同时在固体中成核和发展,导致固体多处破坏.自Mott对固体的动态碎裂问题进行了开创性研究后,几十年来,对固体动态碎裂机制的研究一直是应用物理学、力学、航天和兵器工程等领域共同关心的重要课题.本文介绍了在冲击拉伸载荷作用下固体的动态碎裂研究的发展历史,给出相关的理论分析、实验研究和数值模拟的研究进展,特别针对现有的各种关于碎片尺度、碎片分布、以及碎片化物理机制的理论模型进行了较详尽的阐述和讨论,最后指出现有实验和理论研究中仍然存在的关键科学问题及进一步的研究展望.     

损伤演化对韧性金属碎裂过程的影响

固体在冲击拉伸载荷作用下会断裂成多个碎片，基于线性内聚力断裂假设的Mott-Grady模型能较好地预测碎裂过程所产生的平均碎片尺度的下限。然而实际上，韧性金属的损伤演化是多元化的，为此通过数值模拟方法研究了不同损伤演化规律对韧性碎裂过程的影响。利用ABAQUS/Explicit动态有限元软件数值再现了韧性金属杆（45钢）在高应变率下拉伸碎裂的过程，分析了线性和非线性损伤演化对韧性碎裂过程的影响规律。结果表明:损伤演化规律对韧性金属的碎裂过程具有显著影响，非线性指标α越大，碎裂过程产生的碎片数越少；Grady-Kipp碎裂公式仍能在一定范围内预测韧性碎裂过程中产生的碎片尺寸；当非线性指标α远大于零时，在较低冲击拉伸载荷作用下，数值模拟结果和Grady-Kipp模型预测值偏差较大，随着应变率增大，数值模拟结果与Grady-Kipp模型预测值吻合较好。     

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。     

脆性膨胀环动态拉伸碎裂实验研究

发展了一种液压冲击脆性膨胀环实验技术,通过可升降的凸台对脆性膨胀环进行精确的对心定位安置,避免偏心膨胀带来的弯曲断裂,通过膨胀环试件上的半导体应变片测量其在拉伸碎裂过程中的应变时程曲线;对典型脆性材料碳化硅（SiC）陶瓷进行了膨胀拉伸碎裂实验研究,获得了其动态拉伸断裂强度和碎片平均尺寸及分布。实验结果表明:(1) 液压冲击膨胀环实验能较好地实现脆性膨胀环的拉伸碎裂,在应变率101 s?1量级下,SiC陶瓷拉伸断裂应变为3.7×10?4～7.4×10?4,平均拉伸断裂应力为206 MPa;(2) SiC陶瓷无量纲化平均碎片尺寸落于多种脆性碎裂预测模型的合理区间内,随着加载应变率的提高,SiC陶瓷的平均碎片尺寸减小;(3) SiC陶瓷拉伸碎裂的碎片分布基本符合Rayleigh分布,但是在细小尺寸上和大尺寸碎片分布上存在一定偏差。     

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.      

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150～500 s~(-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.     

脆性固体碎裂过程中的最快卸载特性

脆性固体在高应变率拉伸过程中常破碎为多块碎片.论文通过一个一维理论模型,研究动态脆性碎裂过程中固体内部载荷卸载规律,以及碎片尺度的计算方法.假设一维固体中裂纹等间距分布、同时起裂,研究均匀应变率拉伸作用下裂纹阵列的扩张过程.采用线弹性波动方程组描述未断裂固体的动力学关系,采用粘滞断裂模型(cohesive fracture model)描述裂纹的扩张行为,形成完整的初边值问题.采用沿特征线的有限差分计算格式求解控制方程组,得到固体在碎裂过程不同时刻下单位裂纹体内部的应力分布曲线,以及单位裂纹体平均应力随时间的变化规律,确定单位裂纹体达到完全断裂所需要的时间.在给定应变率下,分析不同裂纹间距下的碎裂卸载时间,以及使单位裂纹体以最快速度完全卸载所对应的最佳裂纹间距,并以此间距估算脆性固体在自然动态碎裂过程中的平均碎片尺度.进一步研究了具有不同粘滞性断裂特性的脆性固体的碎片尺度计算数值的差异.     

影响冲击载荷下脆性材料碎片尺度的因素

概括回顾近年我们针对脆性材料受冲击拉伸载荷时的断裂及破碎现象的理论分析及数值模拟成果。重点分析碎片尺度对材料参数及加载速率的依赖关系。通过量纲分析,动力学模拟以及数值实验,建立了一个普适性的无量纲关系用以评估碎片尺度。将本研究结果与其他理论及现有实验结果进行的比较表明本模型更为完善合理。     

材料参数对韧性材料高应变率拉伸碎裂过程的影响

Grady-Kipp将一个与断裂能量相关的内聚断裂模型引入Mott[1]的刚性卸载波分析,导出一个预测韧性材料在高速拉伸碎裂过程中产生碎片的平均尺度的计算公式[2]。为定量评估Grady-Kipp公式的适用程度,采用数值方法模拟了具有不同材料参数的一维弹塑性杆在高应变率拉伸过程中的碎裂现象。通过改变材料的断裂能 、密度 和应变率敏感系数c,模拟了杆在不同应变率 下的碎裂过程,研究了材料参数对碎裂时的碎片尺度、表观断裂应变和断口温升等的影响。通过对应变率和碎片尺寸进行无量纲化,证实Grady-Kipp公式在广泛的材料参数范围内能较好地预测碎裂过程中发生的碎片平均尺寸。     

Dynamic fragmentation of ceramics, signature of defects and scaling of fragment sizes

Defects play a critical role in the dynamic fragmentation process of structural ceramics. Cracks initiate at seemingly random locations, propagate and coalesce to form fragments. The process is accompanied by stress release waves, whose influence is difficult to account for without numerical analysis. In this paper, we use a finite-element program with a cohesive fracture capability, to relate a defect distribution contained in a material with the resulting number of fragments. We show how the distribution tail, e.g. the number of large defects, and the rate at which cracks can be initiated at these sites have a critical influence on the generation of stress release waves and thus on the fragmentation process. Our numerical calculations yield a new factor, which we label communication factor, that we use to normalize the average fragment size and to define a new scaling function of material properties, defect statistics and loading rate.     

韧性金属圆环高速膨胀碎裂过程的有限元模拟

用数值方法模拟了韧性金属圆环的自由膨胀碎裂过程. 采用Johnson-Cook热黏塑性本构模型描述材料的动态变形和热软化特性, 采用包含内聚力失稳断裂准则的Johnson-Cook型损伤断裂模型描述材料的破坏和分离过程, 采用结合单元消去技术的ABAQUS/Explicit程序进行分析. 在特定膨胀速度下对多个圆环进行碎裂数值实验, 获得碎片样本集合. 研究证实, Grady-Kipp基于塑性卸载波传播机制的韧性碎片尺寸公式可以较好地预测碎片的平均长度. 模拟再现了圆环碎裂过程中塑性卸载波的传播,揭示了Grady-Kipp公式合理性的物理基础.      

Investigation of dynamic response of brittle materials under high-rate loading

In this paper the dynamic behaviour of brittle materials subjected to high-rate loading is investigated. Taking the effect of damage into account, a direct, explicit and quantitative method is developed to determine the average fragment size generated by crack tension with a constant strain rate. The theoretical predictions of the fragment size are compared with the experimental data, and it is found that the predicted values agree reasonably well with the test results. Furthermore, the dependence of the throw velocity on the strain rate is discussed. The value of the throw velocity increases with the increment of the strain rate. Finally, the properties of the fragmentation in a single borehole blasting experiment are numerically simulated.     

基于连续-非连续单元法的三维脆性颗粒冲击破碎特性分析

通过在连续-非连续单元法(CDEM)中引入考虑应变率效应的断裂能本构以及能量统计算法,实现了球体冲击破碎过程中损伤破裂程度及能量演化的定量分析。计算结果表明,冲击破碎过程分为接触蓄能阶段、损伤破碎阶段和碎块飞散阶段。首先,颗粒的部分动能转化为单元弹性变形能,随后这部分变形能和动能迅速转化为摩擦消耗、阻尼消耗及弹簧断裂能,破碎基本完全后碎块继续飞散。不同冲击速度下,颗粒分别出现了反弹、开裂、破碎和粉碎的现象。随冲击速度的增加,D50的变化速率逐渐放缓,破碎块度逐渐趋于稳定;破裂度、损伤度以及平均损伤因子的变化速率先增加后放缓,颗粒破坏以拉伸破坏为主。以上结论可为脆性材料冲击破碎工艺的优化设计提供依据。     

层内爆炸压裂岩石破碎颗粒尺寸的预测模型

借鉴爆破工程经验,结合层内爆炸压裂实际,应用能量守恒原理,将液体炸药爆炸形成的冲击波能 量分为岩石破碎的表面能和岩石内部的应变能,结合岩石断裂理论建立了粉碎区内岩石破碎粒径的预测模 型。实例计算层内爆炸压裂形成的岩石颗粒直径为1.43mm。计算结果表明:液体炸药层内爆炸后形成的 岩石破碎颗粒与石油工业中水力压裂使用的支撑剂粒径相当,能够支撑形成具有一定导流能力的裂缝。     

爆炸驱动液体分层现象和液滴尺寸模拟

爆炸驱动液体介质外界面的分散和破碎是气溶胶云团形成的重要过程。采用基于维数分裂的欧拉程序和Youngs混合界面处理方法,对中心药爆炸驱动甘油和水介质流场的液体分层现象进行了数值模拟。结合试验结果推断提出了液滴形成过程的三种并存机制:外层射流破碎、内层R-T失稳和中间液层"空化"破碎,分别建立了不同液层破碎液滴的尺寸模拟方法。对比给出抛撒甘油和水装置初级液滴的尺寸分布及最外层理论射流量。