一维应变压缩下TC4钛合金绝热剪切研究

 利用内径为57 mm的压缩气炮，在撞击速度为0.2~1.2 km/s（相应的靶中压力为3~15 GPa）范围内进行对称碰撞实验，以研究TC4（Ti-Al6-V4）钛合金在一维应变冲击压缩条件下的绝热剪切现象。对回收得到的受冲击样品，在扫描电镜（SEM）下进行细观金相分析。结果指出，一维应变冲击压缩条件下，TC4钛合金中绝热剪切带产生的对称碰撞速度阈值为500 m/s（相当于样品中的压力为5.87 GPa）；主剪切带与冲击方向约为45°角，带上有圆形和椭圆形两种孔洞且随碰撞速度的增大而增多和长大，这是典型的韧性损伤特征。随碰撞速度增大，产生与主剪切带成15°角的支剪切带。这些与理论预言相符。X射线能谱分析结果指出，剪切带内材料发生了(α+β)→β相的转变，是典型的相变带。剪切带的温度估算与实验提供的信息吻合。     

射弹冲击下带预裂槽金属靶的防护性能研究（英文）

采用弹道实验和数值模拟的方法研究了带环形预裂槽的金属靶在射弹冲击下的毁伤模式和防护性能,分析了弹头形状、预裂槽直径及深度等因素对靶板防护性能的影响。结果表明:对带有环形预裂槽的金属靶板,存在两种主要毁伤模式,即环形槽内部的侵彻和环形槽底的冲击断裂;临界毁伤速度与毁伤模式密切相关,随着环形槽深度的增大或半径的变小,临界毁伤速度变小;与尖头弹相比,平头弹的临界毁伤速度更小;微观分析表明,在射弹冲击作用下,环形槽底部产生绝热剪切带,更容易形成充塞剪切破坏。     

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。     

铝球弹丸高速斜撞击铝Whipple防护结构时后板的损伤特性

 为了研究空间碎片对航天器防护结构的高速斜撞击损伤特性,采用二级轻气炮发射铝球弹丸,对铝Whipple防护结构进行高速斜撞击实验。弹丸直径为3.97 mm,撞击速度为1.14～5.35 km/s,撞击角度为0°～70°。实验得到了铝Whipple防护结构在不同撞击速度区间的后板损伤模式,分析了后板撞击损伤及弹坑分布特性,建立了预测铝球弹丸高速斜撞击铝Whipple防护结构时后板弹坑分布的经验公式。结果表明：在大角度斜撞击条件下,对于一定的撞击速度,铝Whipple防护结构的后板弹坑分布会出现两个区域;弹丸的撞击破碎临界速度将影响后板损伤随撞击角的变化关系;对于铝Whipple防护结构,存在使后板撞击损伤最严重的临界撞击角。     

破片模拟弹侵彻船用钢靶板的计算模型

为研究破片模拟弹侵彻钢板的过程,将模拟弹冲击钢装甲的侵彻过程分为初始接触、弹体侵入、剪切冲塞和穿甲破坏4个阶段进行理论分析。当靶板剩余厚度的剪切冲塞抗力小于延性扩孔抗力时,靶板的破坏模式完全转变为剪切冲塞;剪切塞块速度与剩余弹体速度相同时,推导出破片模拟弹侵彻钢靶板的能量转化及剩余速度公式,与实验及有限元分析结果吻合较好。研究结果对于破片侵彻钢靶板威力设计具有一定实用价值。     

无序性对脆性材料冲击破碎的影响

脆性材料受冲击荷载作用产生损伤开裂是一个连续介质离散化的过程.采用连续离散耦合方法模拟了一个脆性圆球以不同初始速度与刚性板的冲击,重点研究了无序性对脆性材料冲击破碎的影响,并对其内在机理进行了分析.本文不考虑材料细观结构的无序性,材料的无序仅体现在细观断裂参数的非均质性.数值实验同样揭示了脆性材料在冲击破坏中存在两种破坏模式,即低速时接触区域的局部损伤和高速时的整体碎裂.研究表明,材料无序性对临界冲击速度、破碎模式、碎片形态影响显著.随着无序度增加,材料的临界速度增大,损伤开裂由少量贯穿性裂纹主导转变为全域性的分叉裂纹.高无序度圆球冲击产生的碎片表面更粗糙,体型更为扁平细长.这与细观断裂的主导机制有关,无序度较高时剪切导致开裂的比重更大,碎片内部损伤裂纹面更多.     

带前舱物的钝头弹对金属靶的正穿甲分析

文中考虑前舱物作用导致靶板的预结构响应，对Chen＆Li考虑结构响应的剪切冲塞模型进行修正，对带前舱物的钝头弹穿甲金属靶的工程问题进行刚塑性分析。模型假设前舱物与靶板的撞击中，除部分前舱物将破碎压实并附着在刚性弹体上，撞击过程中弹体质量发生损失且最终消失掉大部分前舱物（如图1）。剪切破坏之外，模型还考虑了靶板弯曲、膜力拉伸和前舱物撞击引起的靶板预结构响应等。     

聚脲涂层复合结构抗侵彻机理实验研究

为研究聚脲涂层复合靶板的抗侵彻性能,利用球形弹丸开展了相近面密度下的钢质靶板与喷涂聚脲涂层复合结构的弹道冲击实验,得到了钢靶与采用不同涂覆方式制备的聚脲涂层复合结构的抗侵彻性能,分析了失效模式和吸能机理。结果表明:冲击过程中,前聚脲涂层能有效缓冲弹体与钢靶之间的撞击载荷,使钢靶产生预变形,降低弹体的相对侵彻速度,延缓钢靶绝热剪切破坏的发生,提高复合结构的弹道极限;后聚脲涂层可与钢靶协调变形,形成冲塞质量块吸能,吸收弹体动能,在弹速较高时有较好的吸能能力。     

球形弹丸超高速撞击靶板时背表面材料 破碎的数值模拟分析

选取合适的材料状态方程和强度模型,通过数值模拟分析超高速撞击下弹丸材料的破碎行为。弹丸的破碎主要有两种:稀疏波引起的层裂和材料在高压作用下的碎裂。由于层裂影响和高压影响下弹丸的破碎方式不同,导致两种情况下材料产生的碎片形状和大小不同。分析球形弹丸在撞击靶板过程中压力脉冲的传播及衰减形式发现:在弹丸和靶板尺寸相同的情况下,弹丸中压力脉冲的脉宽基本保持不变,而峰值压力随着撞击速度的增加而增加;在撞击速度相同的情况下,弹丸中压力脉冲的峰值压力基本不变,而压力脉冲的脉宽随着靶板厚度的增加而增加。弹丸中传播的压力脉冲与后期弹丸背表面的层裂相关,其峰值及变化速率直接影响背表面层裂厚度,其脉宽直接影响背表面沿弹丸径向的层裂深度。得到层裂厚度以及层裂破碎方式的影响区域,对研究后期碎片云分布有重要参考价值。     

超高速碰撞天然白云石板产生闪光的辐射温度

为研究超高速碰撞天然白云石板产生闪光温度衰减阶段的演化特征,利用二级轻气炮和瞬态光纤高温计,进行入射角度(与靶板平面的夹角)为45°、碰撞速度分别为1.9,4.2km/s两种条件下的超高速碰撞实验。根据冲击波理论,推导出超高速碰撞天然白云石板产生闪光温度衰减阶段的半理论半经验公式。分析结果表明,弹丸撞击靶板的速度越高,闪光辐射温度衰减的持续时间越长。闪光辐射温度衰减阶段的理论推导与实验数据一致性较好,闪光辐射温度衰减阶段的理论推导可对类似碰撞问题闪光辐射温度衰减阶段进行预估。     

Shear-induced adhesive failure of a rigid slab in contact with a thin confined film

A rigid-glass prism (square or rectangular base, rectangular cross-section) is sheared off a thin film of silicone elastomer bonded to a glass plate by applying a tangential force at various distances above the prism/elastomer interface. At a given tangential force, the prism starts to slide on the elastomeric film. As the sliding velocity, thus the frictional force, is progressively increased, an elastic instability develops at the interface that results in the formation of numerous bubbles. These bubbles, the lateral dimension of which is comparable to the thickness of the film, move across the interface with speeds 1000 times faster than the overall sliding speed of the glass prism against the PDMS film. It is found that the glass prism continues to slide on the elastomeric film as long as the applied shear stress is less than a critical value. During sliding, however, a normal stress is developed at the interface that decays from the front (i.e. where the force is applied) to the rear end of the prism. When the normal stress reaches a critical value, the prism comes off the film. The critical shear stress of fracture increases with the modulus of the film, but decreases with the thickness following a square root relationship, as is the case with the removal of rigid punches from thin elastomeric films by normal pull-off forces.     

Failure waves in glass under dynamic compression

Abstract

Plate impact (I-d strain) and bar impact (I-d stress) experiments were performed on soda lime glass and pyrex glass. Embedded manganin gauges were used to monitor stress-time profiles in both types of experiments. In the plate impact experiments we found that glass not only fails through inelastic (or densification) deformation, but also through a unique failure process which gives rise to a failure wave first observed by Kanel et al. in the Soviet Union in 1990. In the present work three independent observations were made that support the existence of failure wave in glass: (i) the spall strength below and above the HEL is zero behind the failure wave, (ii) a small recompression is present in the longitudinal gauge (embedded between glass and PMMA) profile due to the reflections of release waves from the advancing failure wave, and (iii) transverse stress (measured by transverse gauge) increases on the arrival of the failure wave. The transverse stress increases because the glass loses its shear strength as a result of the arrival of the failure wave. The speed of the failure wave is about 1.5–2mm/μs. In the experiments on pyrex bars we used high speed Imacon framing camera to monitor the speed of the failure front. We found that pyrex bars fail through a failure front propagating across the cross section of the bar. The speed of the failure front is a function of the impactor (pyrex bar or steel plate) velocity. The speed increases from 2.3 mm/μs, corresponding to impact velocity of 125 m/s, to 5.2mm/μs for impact velocity of 330 m/s.     

Perturbation evolution at a metal-metal interface subjected to an oblique shock wave: Supersonic velocity of the point of contact

The perturbation evolution at the interface between identical metals (metal plates) that is exposed to high-speed oblique shock waves is observed experimentally for the first time (the waves are attached to the point of contact, so that a cumulative jet cannot form). The experiments are numerically simulated by the two-dimensional Lagrange method. An elastoplastic model where the dynamic yield strength is a function of material state parameters is employed. An analytical technique to treat instability development under given loading conditions is suggested. High strains produce a high-temperature zone near the interface (thermal softening zone). A short-lived shear flow with a high velocity gradient depending on the angle and velocity of plate collision is observed. In this zone, the shear modulus and the yield strength are appreciably lower than under normal conditions, which favors instability development.     

基于ANSYS/LS-DYNA高速冲击仿真

高速弹头的侵彻问题是军工防护等领域研究的一个重要课题。采用有限元仿真软件ANSYS/LS-DYNA为平台对高速弹头侵彻靶板的过程进行了数值模拟。选取Johnson-Cook本构模型来描述侵彻过程,得到了速度为1300m/s的子弹侵彻6mm靶板的的速度、加速度、能量变化曲线和Von-Mises应力云图,从而直观的显示靶板的变形情况和动态响应,有助于分析高速弹头的撞击过程。验证了ANSYS/LS-DYNA有限元仿真在分析侵彻问题中的可行性和优越性,对改进弹头和防护材料设计具有重要意义。并为防护材料设计进行高速冲击实验的研究提供了新的途径和思路。     

钢芯弹冲击高强度钢过程的数值模拟分析

 通过材料特性实验获得7.62 mm×39 mm普通钢芯弹弹芯、N-1高强度钢靶板材料的力学本构模型参数,建立了弹体和靶板的精细有限元模型。对靶板钢材的J-C断裂准则进行改进,并在LS-DYNA软件中实现。应用改进的断裂准则进行了N-1钢受普通钢芯弹垂直冲击过程的数值模拟,计算结果可更准确地反映出实验中靶板出现的绝热剪切冲塞行为,冲塞尺寸较接近实验结果,弹道极限速度也与实验吻合。由此克服了基于原J-C断裂准则计算的缺陷——靶板发生与实验结果不符的拉伸型破坏、冲塞尺寸明显偏小。     

基于ANSYS/LS-DYNA高速弹头冲击仿真

高速弹头的侵彻问题是军工防护等领域研究的一个重要课题;采用有限元仿真软件ANSYS/LS-DYNA为平台对高速弹头侵彻靶板的过程进行了数值模拟;选取Johnson-Cook本构模型来描述侵彻过程,得到了速度为1 300 m/s的子弹侵彻6 mm靶板的速度、加速度、能量变化曲线和VonMises应力云图,从而直观地显示靶板的变形情况和动态响应,有助于分析高速弹头的撞击过程;验证了ANSYS/LS-DYNA有限元仿真在分析侵彻问题中的可行性和优越性,对改进弹头和防护材料设计具有重要意义;并为防护材料设计进行高速冲击实验的研究提供了新的途径和思路。     

Soda lime玻璃材料中失效波形成和传播研究

 为了研究冲击载荷作用下Soda lime玻璃材料中失效波的形成和传播,通过轻气炮加载平板撞击实验,采用双螺旋锰铜压阻传感器,在一发实验中同时测量4种不同厚度试件背面与有机玻璃背板间界面处的纵向应力时程曲线,根据测量结果得到试件中失效波的传播轨迹。通过改变碰撞速度,对不同加载条件下的失效波形成和传播规律进行了研究,结果表明,Soda lime玻璃材料在冲击作用下产生失效波所需的延迟时间随冲击载荷的增加而减小,失效波传播速度随冲击载荷的增加而增加。最后采用弹性微裂纹统计模型描述冲击载荷作用下Soda lime玻璃的破坏机制,并将模型嵌入LS-DYNA有限元程序中,模拟试件在不同加载条件下的平板碰撞,所得横向应力和自由面粒子速度曲线均可用于表征失效波破坏现象。根据数值模拟结果分析失效波的传播轨迹,与实验测量结果符合较好。     

Oscillations in rapid fracture

Experiments of pure tensile fracture in thin brittle gels reveal a new dynamic oscillatory instability whose onset occurs at a critical velocity, VC=0.87CS, where CS is the shear wave speed. Until VC, crack dynamics are well described by linear elastic fracture mechanics (LEFM). These extreme speeds are obtained by suppression of the microbranching instability, which occurs when sample thicknesses are made comparable to the minimum microbranch width. The wavelength of these sinusoidal oscillations is independent of the sample dimensions, thereby suggesting that these macroscopic effects are due to an intrinsic microscopic scale that is unrelated to LEFM.