边缘冲击（EOI）作用下透明陶瓷破坏特性研究

相较于传统透明材料,相同面密度下透明陶瓷具有更优异的抗冲击性能,使其成为极具应用前景的透明装甲防护材料。研究透明陶瓷在冲击下的破坏响应及损伤演化规律,对透明陶瓷装甲的结构设计及防护能力的提高起到至关重要的作用。为了比较传统透明材料与典型透明陶瓷材料在冲击过程中的破坏特性差异,利用9 mm弹道枪发射平台进行了浮法玻璃、YAG透明陶瓷及镁铝尖晶石透明陶瓷3种透明材料的边缘冲击试验,破片发射速度为200~300 m/s。通过高速摄影捕捉破片的撞击过程,分析了粉碎区及主裂纹扩展距离随时间的变化规律。结果表明,3种材料在不同速度破片的冲击作用下,粉碎区面积与材料强度呈负相关性。对同种材料,在200~300 m/s速度范围内,破片撞击速度对主裂纹的扩展速度没有影响。同时比较了玻璃与透明陶瓷在宏观尺度上的损伤演化特征差异:玻璃在粉碎区两侧产生三角形的次裂纹区域,陶瓷材料则会产生细长的次裂纹簇,并会产生较明显的裂纹“分叉”现象。利用扫描电子显微镜对回收到的陶瓷碎片进行观测,并分析了2种透明陶瓷材料在细观尺度破坏特征的异同。2种透明陶瓷的径向裂纹断面上会出现从沿晶断裂到穿晶断裂的过渡变化,而环向断裂面上几乎都是沿晶和穿晶混合断裂。2种透明陶瓷中,仅YAG透明陶瓷在沿晶断裂时会出现晶体“剥落”现象。     

考虑微结构特征的陶瓷材料含损伤本构模型

为了研究不同微结构陶瓷材料的冲击破坏特征,以从微结构角度出发、描述陶瓷材料非弹性变形和断裂行为的Deshpande-Evan模型为基础构建本构模型,计算了无约束条件下材料的应力状态。为了验证改进模型的有效性,将VUMAT子程序编程方法将与ABAQUS有限元软件相结合,并将其应用于典型陶瓷材料（YAG透明陶瓷）冲击破坏过程的分析模拟。采用改进模型分析应变率、应力三轴度、晶粒尺寸及初始缺陷分布密度对YAG透明陶瓷动态力学行为和损伤演化机制的影响规律。结果表明：随着晶粒尺寸和裂纹分布密度的增加,YAG透明陶瓷破坏程度随之加剧,完全损伤区域面积也随之增加,晶粒尺寸对YAG透明陶瓷宏观破坏特征的影响程度要大于裂纹分布密度;YAG透明陶瓷失效强度以及断裂应变随着晶粒尺寸以及初始缺陷分布密度的增大而减小;随着应变率不断增加,YAG透明陶瓷在不同晶粒尺寸以及初始缺陷分布密度下的峰值应力和断裂应变均随之增加;裂纹扩展速度会随着晶粒尺寸的增加呈现出先增加而后平缓的趋势,裂纹扩展速度与初始缺陷分布密度系数成线性关系。改进模型可以描述YAG透明陶瓷微结构对其宏观破坏特征的影响,为进一步分析微结构对陶瓷材料宏观...     

修正金属本构模型在超高速撞击模拟中的应用

为更加准确地计算93钨合金弹超高速撞击Q345钢板问题,构建了修正的金属本构模型。引入GRAY三相物态方程描述材料相态变化,采用Johnson-Cook强度模型描述撞击后期材料的力学行为。结合封加波损伤演化模型以及Johnson-Cook失效模型描述不同应力三轴度下材料的拉伸、剪切失效行为;引入曹祥提出的断裂演化模型,描述材料失效后应力归零的过程。通过对比超高速撞击数值模拟结果与实验结果,验证了本构模型的适用性,并进一步分析了典型弹靶撞击条件下破片群的空间分布特征。研究结果表明:基于修正金属本构模型获得的超高速撞击靶板穿孔直径、弹体侵蚀长度、破片群扩展速度结果与实验结果一致;GRAY三相物态方程能够相对准确地给出弹体撞击首层靶板以及剩余弹体、破片群撞击第2层靶板时弹靶材料的熔化情况;封加波损伤演化模型能够准确判断超高速撞击过程中靶板是否产生层裂破坏;综合封加波损伤演化模型、Johnson-Cook失效模型以及曹祥提出的断裂演化模型后,数值模拟获得的破片群撞击后效靶板的穿孔面积与累积数量的统计曲线结果与实验结果一致;获得了典型条件下的柱形93钨弹体超高速撞击Q345靶板破片群空间分布结果,破片群的前端具有较高的质量、轴向动量以及横向动量（绝对值）。     

轻型陶瓷/金属复合装甲抗垂直侵彻过程中陶瓷碎裂行为研究

为探讨轻型陶瓷复合装甲抗侵彻过程中陶瓷的碎裂行为,采用12.7 mm穿燃弹对不同背板厚度及陶瓷厚度下陶瓷/金属复合装甲进行弹道冲击试验。通过观测回收的靶体陶瓷宏观破坏特征,分析不同厚度组合与陶瓷主要破坏特征之间的关系;并通过对陶瓷碎块的多级筛分称重,分析不同厚度组合下陶瓷面板的碎块尺度分布规律。结果表明,陶瓷锥是陶瓷面板的主要破坏形态,其宏观裂纹主要有:径向裂纹、环向裂纹和锥形裂纹。陶瓷锥内可细分为由高压缩应力引起的粉末状较小陶瓷碎块组成的陶瓷粉碎锥和由应力波造成的较大片状陶瓷碎块组成的陶瓷破碎锥。冲击后陶瓷锥内陶瓷碎片尺度分布满足Rosin-Rammler分布模型,当背板厚度增大时,陶瓷半锥角增大,导致陶瓷锥整体体积增大,破碎区占比亦增大,产生的陶瓷碎块以大粒径碎块为主,陶瓷锥内整体破碎尺度增大。当陶瓷厚度增大时,陶瓷锥半锥角及径向裂纹数量基本不变,陶瓷锥内粉碎区占比增大,整体破碎尺度减小。     

两种典型高熵合金冲击释能及毁伤特性研究

为研究FeNiMoW和FeNiCoCr两种典型高熵合金材料的冲击释能规律, 利用Φ14.5 mm弹道枪发射装置和准密闭试验容器系统开展了两种典型高熵合金破片在不同速度下冲击释能效应试验. 进一步, 利用该试验平台开展两种高熵合金破片侵彻多层目标的毁伤特性研究. 通过改变准密闭试验容器前置钢靶厚度, 研究了两种高熵合金破片对后续多层靶板的侵彻毁伤规律. 研究发现: FeNiMoW和FeNiCoCr高熵合金破片分别在1356 m/s和1217 m/s出现能量释放现象. 低于该撞击速度未发生化学反应. 撞击速度对两种高熵合金破片释能有显著的影响, 随着速度的增加, 两种高熵合金破片冲击释能反应加剧, 超压峰值上升加快. 在1600 m/s左右的撞击速度下, 随着试验容器前置钢靶厚度从1 mm增加至5 mm, FeNiMoW破片超压峰值整体上呈上升趋势, FeNiCoCr破片超压峰值呈下降趋势. 在两种高熵合金破片侵彻多层靶标过程中, 其释能反应程度的降低对破片穿孔能力的增强有一定贡献, 而容器前置钢靶厚度的进一步增大将降低破片对后续多层铝靶的穿孔毁伤能力. 另一方面, 随着前置钢靶厚度的增大, 破片对第一层铝靶的毁伤面积先增大后减小.      

长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃/侵彻转变速度理论模型

为预测长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃/侵彻转变过程,采用Hertz接触理论确定靶体内部应力,将其分别应用于陶瓷锥裂纹与翼型裂纹扩展理论。通过比较两种裂纹扩展模型计算得到的界面击溃/侵彻转变速度,提出准确预测界面击溃/侵彻转变速度的理论模型。结果表明:将两种裂纹扩展理论相结合的理论模型可以合理地解释界面击溃/侵彻转变过程,转变速度计算结果与已有实验结果吻合较好。弹体半径较小时,锥裂纹扩展控制界面击溃/侵彻转变过程;弹体半径较大时,翼型裂纹扩展控制界面击溃/侵彻转变过程。     

长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃/侵彻特性

界面击溃/驻留效应可以有效提高装甲陶瓷的抗侵彻能力。为研究长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃及侵彻特性,开展了长杆弹撞击装甲陶瓷实验研究。同时,基于裂纹扩展理论建立了考虑界面击溃/驻留效应的长杆弹侵彻装甲陶瓷计算模型,以定量描述界面击溃/驻留效应对装甲陶瓷抗侵彻性能的影响。不同弹靶条件下的界面击溃/侵彻转变速度、界面驻留时间、侵彻速度与侵彻深度的理论计算值与实验结果具有较好的一致性,表明计算模型可靠。在此基础上,分析了弹体及陶瓷材料对界面击溃/驻留及侵彻过程的影响规律。研究结果表明:随着弹体撞击速度的提高,陶瓷表面由界面击溃向侵彻转变。考虑界面击溃/驻留效应的长杆弹侵彻装甲陶瓷理论模型,可以较好地反映不同弹体撞击速度对应的弹靶作用模式。弹体材料的屈服强度和密度越高,界面驻留时间越短,弹体侵彻靶体的能力越强;陶瓷的屈服强度越高,界面击溃/驻留效应越显著,靶体的抗侵彻能力越强。考虑界面击溃/驻留效应的长杆弹侵彻装甲陶瓷理论模型揭示了部分界面击溃作用机理,可为陶瓷复合靶的设计提供参考。     

弹体侵彻YAG透明陶瓷/玻璃的剩余深度

为了研究钇铝石榴石(yttrium aluminum garnet, YAG)透明陶瓷及玻璃材料的抗弹性能和冲击破坏机制，开展了12.7 mm穿甲燃烧弹侵彻YAG透明陶瓷/玻璃的剩余侵彻深度实验研究。基于变形侵彻和刚性侵彻机制建立理论模型分析子弹撞击YAG透明陶瓷和玻璃的作用过程，并利用空腔膨胀模型确定了剩余弹体对2024T351航空铝的剩余侵彻深度。实验结果表明:YAG透明陶瓷对子弹有较强的破碎作用，其防护能力显著高于玻璃材料。理论模型计算得到的剩余弹体质量和侵彻深度结果与实验结果吻合较好，可见本文建立的理论模型可用于评估不同面板材料的抗弹性能。     

不同撞击速度下穿燃弹侵彻陶瓷/铝合金复合靶板时弹芯破碎失效特性研究

为了研究12.7 mm穿燃弹以不同速度撞击陶瓷/铝合金复合靶板时弹芯的破碎及失效特性,开展了12.7 mm穿燃弹以434.5～844.6 m/s速度撞击SiC陶瓷/6061T6铝合金复合靶板的弹道试验,分析了弹靶的失效模式。弹芯在侵彻靶板后会产生不同尺寸的碎片,使用回收箱收集弹芯碎片并用不同孔径筛网对其进行筛分、称重,得到了不同撞击速度下弹芯碎片的质量分布,并对不同部位的弹芯碎片断口形貌进行了宏观和微观观测分析。研究结果表明:背板失效模式为碟形变形-剪切穿孔-花瓣形失效,试验后的弹芯碎片累积质量分布符合Rosin-Rammler幂率分布规律,且随着着靶速度的增大,小质量碎片质量增加;弹芯在冲击过程中等效直径较大碎片（大于8 mm）失效模式为拉伸脆性断裂,而等效直径小于2 mm的碎片上存在局部塑性剪切断裂。     

PELE贯穿薄靶后外壳破片径向速度计算方法与影响因素分析

基于横向效应增强型弹丸(PELE)侵彻金属薄靶板过程分析,将弹体前端在撞击作用下的变形过程分解为轴向一维压缩和径向自由膨胀两个变形阶段;依据冲击波理论,给出了弹体前端的冲击波压缩势能,由功能转化原理,给出了PELE前端外壳在靶后形成破片的最大径向飞散速度计算公式。计算结果在多种工况下均与文献的实验结果较为一致。计算结果表明:PELE靶后外壳破片的最大径向飞散速度与外壳和内芯材料的体积模量和泊松比有关,且随二者的增大而增大;PELE外壳破片的最大径向飞散速度是壳体和内芯在冲击波压缩作用下共同径向膨胀的结果,且外壳膨胀能在弹体整体膨胀能中所占比例较大,计算中应当同时考虑弹体外壳和内芯材料的横向膨胀效应对弹体破片径向飞散速度的影响。     

致密砂岩巷道模型试件动态起裂及止裂全过程分析

为了开展在不同冲击载荷作用下巷道围岩内裂纹的起裂、扩展及止裂等问题，以可调速冲击试验机进行动态加载试验，采用致密青砂岩制作裂纹巷道模型试件，并利用裂纹扩展计分别记录了动态起裂、扩展、止裂等时刻，对裂纹扩展速度的变化规律进行分析；随后采用AUTODYN有限差分法软件进行相应的数值模拟，数值模拟得到的裂纹扩展路径与试验结果基本一致。经过两者对比分析可知:随着冲击载荷作用的增加，裂纹平均扩展速度逐渐增大，随后趋于稳定值；预制裂纹的起裂时间随着冲击速度载荷的增加而逐渐降低，并在稳定值上下波动；随着冲击速度载荷的增加，裂纹扩展路径过程中的止裂时段逐渐变短。     

Dynamic fracture of concrete – compact tension specimen

The behavior of concrete structures is strongly influenced by the loading rate. Compared to quasi-static loading concrete loaded by impact loading acts in a different way. First, there is a strain-rate influence on strength, stiffness, and ductility, and, second, there are inertia forces activated. Both influences are clearly demonstrated in experiments. Moreover, for concrete structures, which exhibit damage and fracture phenomena, the failure mode and cracking pattern depend on loading rate. In general, there is a tendency that with the increase of loading rate the failure mode changes from mode-I to mixed mode. Furthermore, theoretical and experimental investigations indicate that after the crack reaches critical speed of propagation there is crack branching. The present paper focuses on 3D finite-element study of the crack propagation of the concrete compact tension specimen. The rate sensitive microplane model is used as a constitutive law for concrete. The strain-rate influence is captured by the activation energy theory. Inertia forces are implicitly accounted for through dynamic finite element analysis. The results of the study show that the fracture of the specimen strongly depends on the loading rate. For relatively low loading rates there is a single crack due to the mode-I fracture. However, with the increase of loading rate crack branching is observed. Up to certain threshold (critical) loading rate the maximal crack velocity increases with increase of loading rate, however, for higher loading rates maximal velocity of the crack propagation becomes independent of the loading rate. The critical crack velocity at the onset of crack branching is found to be approximately 500 m/s.     

New experimental and numerical techniques to study the arrest and the restart of a crack under impact in transparent materials

The determination of relevant constitutive crack propagation laws under dynamic loading is a rather challenging exercise. In dynamic impact cases, the variations of propagation parameters and the extractions of crack positions are difficult tasks. This paper focuses on a methodology for assessing dynamic crack propagation laws under impact loading for transparent materials. Dynamic brittle fracture experiments are performed on polymethyl methacrylate (PMMA) in which several crack arrest phases occur. Then, these experiments are numerically reproduced by using the eXtended Finite Element Method (X-FEM) in order to validate the algorithms and the criteria assumed.     

Ductile–brittle transitions in the fracture of plastically-deforming,adhesively-bonded structures. Part I: Experimental studies

Rate effects for adhesively-bonded joints in steel sheets failing by mode-I fracture and plastic deformation were examined. Three types of test geometries were used to provide a range of crack velocities between 0.1 and 5000 mm/s: a DCB geometry under displacement control, a wedge geometry under displacement control, and a wedge geometry loaded under impact conditions. Two fracture modes were observed: quasi-static crack growth and dynamic crack growth. The quasi-static crack growth was associated with a toughened mode of failure; the dynamic crack growth was associated with a more brittle mode of failure. The experiments indicated that the fracture parameters for the quasi-static crack growth were rate independent, and that quasi-static crack growth could occur even at the highest crack velocities. Effects of rate appeared to be limited to the ease with which a transition to dynamic fracture could be triggered. This transition appeared to be stochastic in nature, it did not appear to be associated with the attainment of any critical value for crack velocity or loading rate. While the mode-I quasi-static fracture behavior appeared to be rate independent, an increase in the tendency for dynamic fracture to be triggered as the crack velocity increased did have the effect of decreasing the average energy dissipated during fracture at higher loading rates.     

不同应变率下蓝宝石透明陶瓷玻璃的力学响应

蓝宝石（A1₂O₃）是透明陶瓷玻璃,它相较传统陶瓷（A1₂O₃）有优良的透光性,而且保留了陶瓷优良的力学性能。利用电子拉伸机和分离式霍普金森杆设备对试样进行准静态应变率为(10?4、10?3、10?2 s?1)和4种动态应变率(850、1 100、1 300、1 450 s?1)下的单轴压缩力学行为,用高速摄像机记录了蓝宝石透明陶瓷玻璃试样在准静态和动态压缩下的破坏过程。实验结果表明:从加载过程中的应力应变曲线是由加载段和失效段组成的,该材料是典型的脆性材料,并且有明显的应变率效应,随着应变率的提高,蓝宝石透明陶瓷玻璃的抗压强度也会提高;准静态和动态压缩下蓝宝石透明陶瓷玻璃都是在宏观裂纹扩展作用下失效破坏。通过分析不同应变率下蓝宝石透明陶瓷玻璃的破坏过程,分析得到该材料的失效是在加载的过程中,在蓝宝石透明陶瓷玻璃承载能力最低的区域出现裂纹源,然后裂纹成形并沿着加载方向扩展,然后裂纹之间相互交错,最终达到饱和状态破坏失效;在高应变率下,极短的时间内产生多处裂纹源,需要更大的能量去使裂纹成形、扩展,宏观上就表现为应变率效应。     

Al2O3陶瓷动静态压缩下碎片形貌与破坏机理分析

为探究Al₂O₃陶瓷的宏观力学响应与破坏机理，分别利用材料试验机和分离式霍普金森压杆对其进行准静态和动态压缩实验，同时通过原位光学成像观测试样的破坏过程，并利用同步辐射CT和扫描电镜（SEM）对回收碎片的尺寸和形状以及微观破坏模式进行表征分析。宏观强度数据表明，Al₂O₃陶瓷的抗压强度符合Weibull分布，且与加载应变率呈现指数增长关系。原位光学成像和SEM回收分析共同揭示了动静态加载下裂纹成核与扩展模式存在明显差异。准静态加载时材料微观上更易发生沿晶断裂，宏观表现为劈裂裂纹较少，且倾向于沿加载方向传播并贯穿整个试样；而动态加载时穿晶断裂占主导地位，劈裂裂纹明显增加并发生相互作用，因此在传播过程中容易分叉而形成大量次生裂纹，提高了试样内裂纹密度。这与碎片的CT表征结果一致，即碎片平均球形度和伸长、扁平指数等均随应变率对数线性增加。破坏模式的改变最终导致高应变率下陶瓷材料应变率敏感性显著增强。     

破片群作用下复合材料层合板近场动力学损伤模拟

采用一种新兴的无网格法——近场动力学理论,模拟复合材料结构在破片群载荷作用下的损伤情况。根据复合材料结构受到载荷的特性,总结破片群冲击作用下复合材料结构损伤特性,分析其破坏过程,研究破片群增强效应,并对破片速度、破片数量、破片群间距对侵彻能力增强效应的影响进行分析。结果表明:层合板结构在高速破片群侵彻作用下损伤模式多样,与破片数量、速度、间距相关;破片数量的增加,对破片群侵彻能力增强效应明显;破片间距与破片群侵彻能力增强效应负相关,破片间距减小,破片群损伤效应提高;破片速度直接决定穿透时间,破片速度的提高使得穿透时间缩短,应力波的叠加效应不足以影响破片群的侵彻能力。