高导无氧铜杆的冲击拉伸断裂系列实验以及基于样本体积单元的分析

采用Hopkinson装置和一种基于一级气体炮的高速冲击拉伸断裂装置,研究了无刻槽高导无氧铜 (OFHC)杆在一系列冲击拉伸速度下的断裂。当冲击拉伸速度大于40m/s时,断裂位置总在冲击拉伸端附 近,此速度被确定为OFHC的实验临界冲击拉伸速度。一种受单轴冲击拉伸荷载的、中心含椭球空穴的样本 体积单元被用于数值模拟所含空穴的增长与失稳的过程。OFHC的J-C与Z-A 本构关系用于描述基体材料 的动态响应。讨论了空穴失稳条件并提出以空穴形状演化为判据,比较了空穴失稳时的样本体积单元平均径 向应变与无刻槽杆的冲击断裂应变。也用这种样本体积单元模型分析了OFHC的实验临界冲击拉伸速度。     

应力三轴度的有限元计算修正

对某高强度钢制成的光滑圆棒和缺口圆棒进行了系列准静态拉伸实验,采用ABAQUS对每个试 件进行了数值模拟,得到了该材料的真实应力应变曲线,拟合出了J-C本构模型和失效模型的部分材料常数。 最后,对该高强度钢制成的平板进行了撞击实验,并用得到的J-C模型对平板撞击实验进行了数值模拟,计算 结果与实验结果吻合很好,证明利用数值模拟并修正应力三轴度的方法是可行的。     

无氧铜平面冲击波实验的横向应力测试及屈服强度确定

为直接确定平面冲击波实验中无氧铜的流动应力,测量了试件中的纵向应力和横向应力,得到了试件中流动应力随时间的变化。采用构建的7种本构模型对无氧铜平面冲击波实验进行数值模拟,比较了实验结果与理论计算结果。研究指出,由SHPB等确定的中等应变率本构并不能拓宽应用于平面冲击波实验。     

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。     

高导无氧铜的临界冲击拉伸速度

基于气炮系统,提出了一种新的临界冲击拉伸速度实验方法。实验装置主要由2部分组成:气体炮系统驱动弹丸和弹丸击靶牵引多根拉伸杆试件。采用该实验方法对高导无氧铜进行了临界冲击拉伸速度实验。对于一维应力的临界冲击拉伸速度实验,探讨了一种完全热耦合的在颈缩区域计及塑性约束系数以及空穴增长与聚集效应的数值模拟方法。高导无氧铜的临界冲击拉伸速度实验的数值模拟结果表明,采用Zerilli-Armstrong本构关系预估的实验临界冲击拉伸速度比采用Johnson-Cook本构关系预估的更符合实验。     

冲击载荷下镁铝合金裂纹动态扩展过程的数值模拟

采用基于黏聚裂纹模型的扩展有限元方法,开展了镁铝合金结构冲击破坏过程的数值模拟研究。通过镁铝合金三点弯曲试样冲击实验,获得了不同子弹撞击速度下试样的冲击破坏模式。在此基础上,建立了实验结构的扩展有限元模型,并采用最大主应力准则,以及含损伤型的本构关系模拟材料的冲击断裂行为。对于裂纹尖端附近区域,采用黏聚裂纹模型模拟裂纹的断裂过程。对子弹速度分别为12.2、15.1、26.3 m/s的3种工况下镁铝合金试样的动态破坏过程进行了数值模拟研究,获得了与实验相一致的断裂模式。计算结果表明,试样以Ⅰ型断裂模式为主,裂纹沿初始预制裂纹方向扩展。当裂纹扩展到一定程度后,在试样韧带区域被撞击端附近,由于应力波及边界效应导致该区域处于复杂应力状态,试样出现复合型断裂模式,裂纹偏离原扩展路径,与本文实验结果相吻合。     

基于J-C本构模型的Comp.B炸药落锤冲击数值模拟

为研究Comp.B炸药在惯性冲击下的力学响应特性, 基于Johnson-Cook本构模型, 对 点火前的Comp.B炸药大落锤(400kg)冲击实验进行了数值模拟. 在不同应力加载条件下模 拟计算得到了用状态方程和不用状态方程的$\sigma$-$t$曲线, 对比应力峰值、应 力上升时间等主要力学参数, 结果表明考虑了状态方程的数值模 拟结果与实验吻合最好, 可以很好地模拟炸药惯性冲击下的力学响应.     

用HJC本构模型模拟混凝土SHPB实验

运用Holmquist-Johnson-Cook (HJC) 本构模型对混凝土的SHPB实验进行了数值模拟。解决了罚函数算法中罚因子合理数值的选取问题。利用模拟结果按SHPB两波法重构了试样的应力应变曲线。分析了混凝土材料的SHPB实验得到应力应变曲线的有效段范围和各段的力学规律。通过比较实际混凝土材料SHPB实验和数值模拟得到的应力应变曲线,发现两者体现的力学行为很相似,即HJC模型是描述该类材料的一种合理本构模型。模拟了试样不同平行度公差下的SHPB实验,发现在一定应变率范围内其影响程度远大于试样应力(应变)不均匀性。     

平纹编织C/SiC复合材料低速冲击数值模拟

首先,基于空气炮装置进行了2D-C/SiC薄板在冲击速度为79~219 m/s范围内的低速冲击实验,对碎片云团发展过程进行高速摄影记录;其次,基于Autodyn软件正交各向异性复合材料模型,推导2D-C/SiC材料相关参数;选取SPH求解器建立二维计算模型,对实验工况进行数值模拟,并基于碎片云结构、B扫描检测结果和碎片云轴向发展速度验证了该模型可以很好地描述C/SiC材料在冲击载荷作用下的脆性特征和软化行为。最后,基于数值模拟结果推导得出了钢弹丸冲击C/SiC材料的极限侵彻深度预测公式。     

三角形波致LY12铝层裂的平板冲击实验研究

采用基于冲击波衰减动力学的实验技术,使平板碰撞层裂实验的LY12铝样品中,产生三角形冲击脉冲.采用VISAR技术记录样品自由表面历史,获得样品中发生层裂的信号.在经过高应力三角形波实验的软回收样品上,发现了两个层裂面.就样品中呈现三角形脉冲的平板冲击实验而言,样品中可以存在一些高拉伸应力区域并发生多次层裂.将该文提出的基于空穴聚集的层裂模型用于数值模拟这些特定条件的平板冲击试验,并将计算的样品自由面速度历史及样品中的损伤分布与实测的VISAR数据及软回收的样品层裂面等作了比较.研究表明,人为粘性、状态方程、本构方程以及层裂模型对于数值模拟三角形冲击脉冲引起的层裂有严重影响.     

无氧铜层裂的实验与数值研究

利用一级气体炮对国产的无氧铜（OFHC）进行了平板撞击致层裂实验,3 mm厚的OFHC飞片撞击6 mm厚的OFHC靶,采用锰铜应力计记录试样/有机玻璃（PMMA）界面附近的应力历史,获得试样发生层裂的信息。软回收试样,观测回收试样的层裂片。采用基于空穴聚集的层裂模型,数值模拟这些平板撞击致层裂实验。数值模拟的应力剖面以及试样层裂片厚度与实验结果基本一致。此外,对于国外相关的OFHC层裂实验,采用基于空穴聚集的层裂模型也作了相应的数值模拟,并进行了比较。     

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。     

Evaluation of the Material Properties of an OFHC Copper Film at High Strain Rates Using a Micro-Testing Machine

The material properties of an oxygen-free high thermal conductivity (OFHC) film with a thickness of 0.1 mm were evaluated at strain rates ranging from 10⁻³/s to 10³/s using a high-speed material micro-testing machine (HSMMTM). The high strain-rate material properties of thin films are important especially for an evaluation of the structural reliability of micro-formed parts and MEMS products. The high strain-rate material testing methods of thin films, however, have yet to be established to the point that the testing methods of larger specimens for electronics, auto-body, train, ship, and ocean structures are. For evaluation, a new type of HSMMTM was developed to conduct high-speed tensile tests of thin films. This machine is capable of testing at a sufficiently high tensile speed with an electromagnetic actuator, a novel gripping mechanism, and an accurate load measurement system. The OFHC copper film shows high strain-rate sensitivity in terms of the flow stress, fracture elongation, and strain hardening. These measures increase as the tensile strain rate increases. The rate-dependent material properties of an OFHC copper film are also compared with those of a bulk OFHC copper sheet with a thickness of 1 mm. The flow stress of an OFHC copper film is relatively low compared to that of a bulk OFHC copper sheet in the entire range of strain rates, while the fracture elongation of an OFHC copper film is much larger than that of a bulk OFHC copper sheet. A quantitative comparison would provide material data at high strain rates for the design and analysis of micro-appliances and different types of micro-equipment.     

PBX颗粒力学性质对其撞击感度影响的初步研究

利用自行研制的应力测试系统研究了在机械撞击作用下粉状塑料粘结炸药(PBX)的表现。结果表明,由不同的聚氨酯(PU)溶液处理黑索今(RDX)得到的混和炸药PU-RDX,在机械撞击作用下给出的应力-时间曲线是多样的。而且PU-RDX的机械撞击感度随出现第二个应力峰的时间比(指不同的PU-RDX第二应力峰出现时间和仪器在空打时相应时间比)的增大,有下降的趋势。该时间比在一定程度上代表了粉状PU-RDX的塑性。研究在机械撞击作用下PBX的应力-时间特性有助于理解钝感炸药的机理、改进有关的工艺。     

内爆和柱壳条件下无氧铜的层裂特性

利用任意反射面位移干涉系统(DISAR)激光测速技术,成功地获得了滑移内爆加载和柱壳结构条件下无氧铜的内表面（自由面）速度剖面,并对其层裂特性进行了初步分析。结果表明:(1)在固定炸药和改变无氧铜圆管壁厚条件下,层裂片厚度随着圆管壁厚h的减小而增加;以圆管壁厚h为参照进行归一化,则相对层裂片厚度(/h)随相对装药厚度(he/h)的增大而增加,这种规律与以往对20钢的研究结果一致,但圆管发生层裂的临界条件,却显示出明显的材料相关性。(2)初步来看,无氧铜的层裂强度对结构的依赖性不明显,而与加载脉冲的幅值和宽度相关。(3)受无氧铜粘性和Taylor波衰减的影响,无氧铜的层裂强度随管壁厚度的增加而略有降低;同时,材料分散性也对此有一定影响。     

On the modality of fatigue-endurance distributions

Altogether, 884 OFHC copper specimens were fatigued under axial load at 5 different stress levels and zero mean stress. Log-normal, extreme value, combinations of two truncated log-normal or truncated log-normal and extreme-value-distribution functions were fitted to the experimental endurance distributions. The main results of this statistical fatigue study are that (1) the two endurance distributions observed with, e.g., alloyed steel and aluminum could not be verified for polycrystalline (OFHC) copper; (2) at stress levels around the lower knee, the existence of two modes (bimodality) was apparent; (3) at stress levels well above the knee, endurance distributions seem to become single log-normal, below the knee, extremal; (4) the bimodality seems to be caused by a transition of predominance from one (e.g Wood'sH) to another (Wood'sF) fatigue mechanism.     

地质断层对地下结构震塌影响机理的动光弹试验研究

用动态光弹性试验模拟研究了地质断层对应力波的影响及相互作用,比较分析了冲击荷载作用下水平和30方向的裂缝的动态响应,得到指定点处的条纹级数 时间关系曲线图和应力 时间关系曲线图,研究了结构物顶部震塌的机理,试验结论可为防护结构的改进提供参考。     

高导无氧铜在大变形、不同温度和不同应变率下的流动应力和本构模型

为了理解高导无氧铜(OFHC Cu)的塑性流动行为,采用Instron液压试验机和分离式Hopkinson压杆,系统地对OFHC Cu进行了温度为77 ~1 000 K,应变率为0.001 ~7 000 s-1,以及真实应变超过80%的单轴压缩试验。结果表明:在0.001 s-1应变率下, OFHC Cu在约500 K呈现动态应变时效现象。随应变率增高,动态应变时效温度区域向更高温度移动,甚至动态应变时效现象消失。在高应变变形区域,相对温度来说,OFHC Cu塑性流动应力对应变率依赖更强。基于位错运动学和动力学概念,考虑位错在高温和高应变率的粘-曳阻力现象,结合试验结果,导出一个基于物理概念的本构模型。此模型可预测从低到高不同应变率不同温度下OFHC Cu的塑性流动应力。通过比较表明,本构模型预测结果与试验结果吻合较好。