冲击载荷下Al2O3陶瓷的失效与破碎特性

作为典型的脆性材料,陶瓷对变形具有高度敏感性,在强动载荷下具有完全不同于延性金属材料的损伤、破坏行为等力学响应特性。采用分离式霍普金森杆测试系统对Al_2O_3陶瓷进行了冲击加载试验,获得了陶瓷的动态抗拉/压力学性能,以及材料破碎特性随应变率的变化关系。利用能量守恒和动力学的理论方法,对脆性陶瓷材料在不同应变率下的力学特性和碎片尺度进行了深入研究。结果表明:在冲击载荷作用下,Al_2O_3陶瓷的抗拉和抗压强度均与应变率呈正相关。Al_2O_3陶瓷试样在一维应力波作用下的破碎颗粒尺寸差异较大,随着加载应变率的增加,破碎的陶瓷颗粒总数增大,颗粒平均粒径减小,应力集中的影响逐渐减弱。采用DID模型模拟的脆性材料碎片尺度与实验结果比较吻合,Grady模型源于韧性材料的推广,与实验结果的偏差较大。     

脆性材料动态断裂的介观格子模型

岩石、陶瓷、玻璃、固体炸药等脆性材料在爆炸与冲击施加的强动载荷作用下易发生迅速的裂纹扩展和灾难性的断裂破碎,造成材料、器件、装置的功能失效和事故危害。理解脆性断裂过程中介观裂纹网络演化与宏观动态响应的关联是提升脆性材料可靠性和安全性的关键,但同时也是计算建模与数值模拟研究面临的难点。为了解决爆炸与冲击加载下脆性材料中裂纹网络随机萌生、裂纹面挤压摩擦、大量裂纹交错扩展等复杂过程带来的算法困难,一种无网格/粒子方法——"格子模型"得到了持续的关注和长足的发展。本文综述了格子模型的原理和方法,介绍了运用格子模型开展脆性断裂研究的代表性成果,分析了格子模型存在的不足与改进的方向。     

双石英玻璃珠的低速冲击破碎行为

应用分离式霍普金森压杆(SHPB)加载装置,对直径为8.30、11.68、15.42、17.50 mm的石英玻璃珠开展了冲击速度为5.6~11.5 m/s的双玻璃珠系动态破碎实验。利用高速摄影技术记录双玻璃珠在动态冲击下的破碎过程,结合透射载荷-位移曲线以及破碎产物的粒度分析结果,探讨了石英玻璃双颗粒在冲击下的破坏机制。结果表明:由于双颗粒系中载荷的不均匀特性,两个玻璃珠的破碎具有时序特征,随冲击速度的增加而改变;玻璃珠的冲击破碎源于接触部位局部的Hertz裂纹扩张和裂纹系的扩散,而不是通常认为的贯穿性的斜裂纹体系;瞬态红外测温揭示了玻璃珠冲击破碎的两种主要机制和临界破碎扩散阻力的存在。研究结果对认识脆性颗粒介质的动态破坏机制具有良好的参考意义。     

黏附性颗粒团撞击平面的离散元模拟

黏附性颗粒团的撞击和破碎存在于众多自然现象和工业过程中。本文采用离散元(DEM)方法模拟了微米颗粒组成的球形颗粒团与平面撞击的动力学过程,研究了表面能、撞击速度、弹性恢复系数和摩擦力等关键因素对碰撞过程及其特征时间、颗粒团破碎率的影响。不同表面能下颗粒团的破碎率与无量纲碰撞能存在归一化的关系,颗粒团破碎程度最高的时刻与直观的视觉判断差异明显,弹性恢复系数和滑动摩擦对临界碰撞能影响显著。     

爆炸粉末烧结颗粒间摩擦引起的界面温升研究

 针对爆炸粉末烧结过程中颗粒间的摩擦效应提出了一种无夹角斜碰撞模型,分析了烧结过程中颗粒间摩擦力随温度的变化规律,借助于LS-DYNA有限元程序研究了冲击压力、颗粒大小、材料强度等因素对孔隙闭合时间的影响,给出了颗粒界面温升的表达式。研究结果表明,由摩擦引起的颗粒界面的温升与材料特性、颗粒度、冲击角度、冲击压力等因素有关,随材料的蓄热能力、传热能力和材料强度的增加而减小,并随着材料疏松程度、颗粒直径、冲击压力的增加而增加;在粉末颗粒直径和冲击压力不是太小的情况下,颗粒表面温度将达到材料的熔点。     

冲击加载下20钢中弹性前驱波衰减与应力松弛行为实验研究

 通过改变样品厚度，对平面冲击加载下20钢的弹性前驱波的波幅衰减和应力松弛进行了实验研究。采用激光速度干涉测速仪（VISAR）实测了样品后自由面速度历史，采样频率达到1 ns，保证了实验结果的准确性。实验结果显示：Hugoniot弹性极限随着传播距离呈指数衰减，在所研究的样品厚度范围内，Hugoniot弹性极限减小了44%；应力松弛行为和弹性前驱波的上升沿时间也依赖于传播距离；冲击加载的强度对材料动态屈服行为的影响很小。     

落锤撞击下非均匀炸药点火特性实验研究

对落锤实验装置进行改进,由落锤直接撞击炸药样品改为使落锤先撞击上击柱,再由上击柱对颗粒炸药样品进行加载。采用改进的落锤实验装置,结合高速数字相机和PVDF压力计测量,实时记录了以HMX为基的黏结炸药在低速撞击条件下的响应过程图像及其压力变化过程。结果表明:非均匀炸药在低压长脉冲加载下基本都要经历压实→塑性扩展→颗粒破碎→形成局部高温区域→点火→燃烧→熄灭的典型非冲击点火过程,但由于炸药在细观尺度上存在不均匀性,导致相同实验条件下不同样品中局部高温区域点火出现的位置、持续时间以及反应强度都存在差异。     

典型结构参数对船体梁抗水下爆炸特性的影响

为了提升舰船抗水下爆炸冲击防护设计水平，首先需要揭示舰船典型结构参数变化对其损伤特性的影响规律。以某型舰船为参考，保留主要结构特征参数，设计了接近真实尺度的梯形横截面船体梁。利用Geers-Hunter理论公式得到各计算工况下的水下爆炸载荷，基于ABAQUS有限元数值模拟方法，对比分析了船体梁长度、外板板厚、型深、型宽等参数变化对船体梁抗水下爆炸冲击的结构响应特性的影响。提出了一种可以表征各典型结构参数对船体梁整体结构强度影响规律的无因次结构强度因子。结果表明：气泡脉动频率与结构固有频率耦合将导致中垂变形；船体梁长度增加使得结构抗弯能力减弱，在水下爆炸响应中的初始中拱变形缓慢增加，最大中垂变形显著增加；船体梁外板板厚、型深、型宽的增加会导致结构在响应期间的初始中拱变形和最大中垂变形减小；初始中拱变形受结构参数变化影响的敏感程度低于最大中垂变形。提出的无因次结构强度因子可以较好地表征船体梁结构整体强度。     

冲击载荷作用下岩体拉-压损伤破坏的边坡抛掷爆破模拟

为了获得边坡台阶爆破时岩体在冲击载荷作用下破碎和抛掷过程中各物理参量的变化规律,将构建的岩体动态拉-压损伤本构关系嵌入模拟软件进行数值分析。结果表明:振动波三轴合成速率曲线与质点振动位移曲线的变化趋势所对应的时间节点和步长基本吻合,可作为降振减灾的判定指标;岩体最早于0.6 ms左右从坡脚位置产生裂纹,直至12.5 ms左右裂纹裂隙完成扩展,所形成的炮孔粉碎区半径约28 cm;抛掷块状分离现象从炮孔药包的中间部位开始,最大抛掷速度集中于该部位至边坡自由面之间的垂直区域内,边坡自由面抛掷速度小于炮孔周围岩块抛掷速度,导致抛掷过程中形成二次挤压破碎现象;破碎大块主要来源于边坡坡脚、炸药与堵塞物接触面两侧围岩以及台阶顶部自由面处,大块块体直径分布于1.6～2.7 m范围。     

金刚石-碳化硅超硬复合材料的冲击强度

不同于延性介质,脆性介质的失效破坏严重制约着材料的强度.本文采用一种定量描述脆性介质力学性质的格点-弹簧模型,研究了金刚石-碳化硅超硬复合材料的冲击强度及其细观损伤机理,有助于避免灾变破坏、提高冲击强度.在模型中,通过构建不同体积分数比的金刚石和碳化硅两相复合材料,模拟获得了经受冲击波压缩形变后的宏观波剖面,显示出随着金刚石颗粒含量增加,冲击强度逐渐增大,而后减小;对应于这种变化,损伤演化分析揭示出存在三种细观损伤模式,当金刚石颗粒含量在10%—50%范围内增加时,长距离扩展滑移带占主导;当金刚石颗粒含量为70%时,滑移带已由长距离扩展演化为短细滑移带,损伤主要来自于碳化硅基体,多数金刚石颗粒未发生损伤;当金刚石颗粒含量超过70%的临界值后,短细滑移带也将被强烈限制,应力集中致使金刚石颗粒被严重损伤,冲击强度下降.研究结果为优化设计金刚石-碳化硅超硬复合材料以及制备新型抗冲击材料提供了物理认知.     

含微孔洞脆性材料的冲击响应特性与介观演化机制

微孔洞显著地影响着脆性材料的冲击响应,理解其介观演化机制和宏观响应规律将使微孔洞有利于而无害于脆性材料的工程应用.通过建立能够准确表现材料弹性性质和断裂演化的格点-弹簧模型,本文揭示了孔洞的演化对于脆性材料的影响.冲击下孔洞导致的塌缩变形和从孔洞发射的剪切裂纹所导致的滑移变形产生了显著的应力松弛,并调制了冲击波的传播.在多孔脆性材料中,冲击波逐渐展宽为弹性波和变形波.变形波在宏观上类似于延性金属材料的塑性波,在介观上对应于塌缩变形和滑移变形过程.样品中的气孔率决定了脆性材料的弹性极限,气孔率和冲击应力共同影响着变形波的传播速度和冲击终态的应力幅值.含微孔洞脆性材料在冲击波复杂加载实验、功能材料失效的预防、建筑物防护等方面具有潜在的应用价值.所获得的冲击响应规律有助于针对特定应用优化设计脆性材料的冲击响应和动态力学性能.     

Achievement of ultimate values of the bulk and shear strengths of iron irradiated by femtosecond laser pulses

Shock-wave phenomena generated by femtosecond laser pulses in submicron iron film samples have been studied by the interferometric method with the application of frequency-modulated diagnostics in the picosecond time range. The splitting of the shock wave into the elastic and plastic waves with a compression stress of up to 27.5 GPa behind the front of an elastic precursor has been detected. The corresponding maximum shear stress reaches 7.9 GPa, which is even somewhat higher than the calculated ideal shear strength. The measured spall strengths reach 20.3 GPa, which is also comparable to the calculated values of the ideal tensile strength.     

Evolution of shock waves in SiC ceramic

The evolution of a shock compression wave in SiC ceramic is measured for determining the possible contribution of relaxation processes to the high-rate straining. No appreciable decay of the elastic precursor and other features of stress relaxation are revealed when the sample thickness changes from 0.5 to 8.3 mm, and the evolution of the compression wave corresponds to a simple wave. The measured values of the Hugoniot elastic limit (σ_HEL = 8.72 ± 0.17 GPa) and spall strength (σ_sp = 0.50–0.62 GPa) with allowance for the density of the ceramic are in conformity with the available data.     

A mechanistic analysis of stone fracture in lithotripsy

In vitro experiments and an elastic wave model were used to analyze how stress is induced in kidney stones by lithotripsy and to test the roles of individual mechanisms-spallation, squeezing, and cavitation. Cylindrical U30 cement stones were treated in an HM-3-style lithotripter. Baffles were used to block specific waves responsible for spallation or squeezing. Stones with and without surface cracks added to simulate cavitation damage were tested in glycerol (a cavitation suppressive medium). Each case was simulated using the elasticity equations for an isotropic medium. The calculated location of maximum stress compared well with the experimental observations of where stones fractured in two pieces. Higher calculated maximum tensile stress correlated with fewer shock waves required for fracture. The highest calculated tensile stresses resulted from shear waves initiated at the proximal corners and strengthened along the side surfaces of the stone by the liquid-borne lithotripter shock wave. Peak tensile stress was in the distal end of the stone where fracture occurred. Reflection of the longitudinal wave from the distal face of the stone--spallation-produced lower stresses. Surface cracks accelerated fragmentation when created near the location where the maximum stress was predicted.     

多孔脆性介质冲击波压缩破坏的细观机理和图像

本文采用一种具有良好定量性质的离散元模型研究了带孔洞的各向同性脆性介质在细观尺度上的压缩破坏特征. 通过对孤立孔洞、三种简单的孔洞排布方式和大量孔洞随机排布等几种情况的模拟, 认识到了剪切破坏和局域拉伸破坏是冲击波压缩下多孔介质的基本破坏模式; 孔洞之间的损伤贯通会促进孔洞在较低应力下发生塌缩, 但损伤区的应力松弛过程却会对一定范围内的介质起到损伤屏蔽作用; 不同区域中损伤促进和损伤屏蔽的综合效果是在多孔脆性介质中形成一种高损伤区与低损伤区间错排布的奇特损伤分布. 本文的研究结果为深入理解脆性材料冲击波压缩破坏的演化过程和机理提供了细观尺度上的初步物理图像.     

激光冲击强化“残余应力洞”的形成机制

利用ABAQUS有限元软件进行了单个圆形高斯光斑的激光冲击强化数值模拟,分析材料表面光斑中心区域形成的"残余应力洞"现象,并通过分析材料的动态力学响应特征揭示了"残余应力洞"的形成机制。结果表明:在冲击波加载时,光斑边界处会产生很强的剪切应力,形成向四周传播的表面稀疏波和向材料内部传播的剪切波。当稀疏波同时传播到光斑中心,发生相遇、汇聚,使材料产生急剧的上下位移过程,造成冲击波加载塑性变形后的二次塑性变形。二次塑性变形中形成了较大的剪切塑性应变,并降低了冲击波加载阶段产生的轴向和径向塑性应变,使残余压应力降低,从而形成"残余应力洞"。     

High strain rate deformation and fracture of the magnesium alloy Ma2-1 under shock wave loading

This paper presents the results of measurements of the dynamic elastic limit and spall strength under shock wave loading of specimens of the magnesium alloy Ma2-1 with a thickness ranging from 0.25 to 10 mm at normal and elevated (to 550°C) temperatures. From the results of measurements of the decay of the elastic precursor of a shock compression wave, it has been found that the plastic strain rate behind the front of the elastic precursor decreases from 2 × 10⁵ s^?1 at a distance of 0.25 mm to 10³ s^?1 at a distance of 10 mm. The plastic strain rate in a shock wave is one order of magnitude higher than that in the elastic precursor at the same value of the shear stress. The spall strength of the alloy decreases as the solidus temperature is approached.     

Effect of a fullerene C60 addition on the strength properties of nanocrystalline copper and aluminum under shock-wave loading

The Hugoniot elastic limit and the spall strength of aluminum and copper samples pressed from a mixture of a metallic powder and 2–5 wt % C₆₀ fullerene powder are measured under a shock loading pressure up to 6 GPa and a strain rate of 10⁵ s^?1 by recording and analyzing full wave profiles using a VISAR laser interferometer. It is shown that a 5% C₆₀ fullerene addition to an initial aluminum sample leads to an increase in its Hugoniot elastic limit by an order of magnitude. Mixture copper samples with 2% fullerene also exhibit a multiple increase in the elastic limit as compared to commercial-grade copper. The elastic limits calculated from the wave profiles are 0.82–1.56 GPa for aluminum samples and 1.35–3.46 GPa for copper samples depending on the sample porosity. The spall strength of both aluminum and copper samples with fullerene additions decreases approximately threefold because of the effect of high-hardness fullerene particles, which serve as tensile stress concentrators in a material under dynamic fracture.     

Strength and failure of LK7 borosilicate glass under shock compression

The Hugoniot elastic limit (HEL), the spall strength, the failure threshold, and the failure wave velocity in LK7 glass during shock compression are measured. The HEL estimated from the profiles of compression waves of various intensities is 7.1 ± 0.1 GPa. The spall strength exceeds 7 GPa during shock compression in the elastic range and remains high when passing through the HEL. Failure waves form in the stress range from 5.7 to 10.3 ± 0.5 GPa.     

冲击载荷下Al2O3抗弹陶瓷的力学性能实验研究

 通过静力学实验得到了Al₂O₃抗弹陶瓷的弹性模量和泊松比。通过一维平面撞击实验，在Al₂O₃抗弹陶瓷材料中进行了冲击波速度、飞片速度的测量和纵向应力、横向应力测量，得到了Al₂O₃抗弹陶瓷的冲击波D-u_p关系，以及抗弹陶瓷在3~11 GPa压力范围内相应的横向应力和纵向应力关系曲线，并根据这一曲线得到了抗弹陶瓷的纵向应力与剪切强度的关系。