爆轰加载下金属壳体膨胀断裂应变的测定方法

简要介绍了爆轰加载下金属柱壳膨胀断裂应变的传统测试方法,探索性地提出了由晶粒尺寸变化推算断裂应变的细观方法和利用锰铜计测试破片碰靶压力脉宽推算断裂应变的压力脉宽法。对几种测试方法进行分析比较,指出各方法的优点及局限性,提出利用速度历史来确定壳体断裂应变的测定方法。     

内爆加载下金属柱壳的冻结回收方法

针对内爆炸载荷下膨胀态金属柱壳的回收问题，设计了冻结回收试验方法，实现了起爆后不同时刻金属柱壳的冻结回收。基于一体式壳体提出了3种改进结构，并分别对4种柱壳结构在内爆载荷下的膨胀断裂过程进行数值模拟。结果表明，两段式结构最有利于减小非起爆端对预期回收中间段壳体的影响。根据选定的最优壳体结构和金属柱壳在起爆后不同时刻的膨胀外形特征，设计与之匹配的冻结回收装置并进行冻结回收试验。试验结果表明，设计的冻结回收试验方法可以实现膨胀态金属柱壳的回收，回收壳体的轴向和径向尺寸与设计理想值符合较好，整体误差可控制在10%以内。     

线起爆膨胀柱壳实验加载及诊断技术

基于电爆炸丝引爆炸药、继而驱动尼龙对金属柱壳进行碰撞加载的方式,在金属柱壳中部、半柱高范围内实现了一维柱面膨胀加载。同时,基于沿轴向的加载（或径向速度）一致性和沿环向的加载（或径向速度）轴对称性,提出了一维柱面加载的有效性判据。相比于滑移爆轰加载,一维柱面加载方式具有应力状态相对简单、易简化为二维轴对称问题分析的优点。在柱壳断裂诊断方面,建立了分布式表面速度诊断方法来监测柱壳圆周范围内的初始断裂。其原理为:均匀承载壳体断裂引起的局部承载失效将导致均匀速度曲线簇出现分叉（或演化趋势变化）。与高速分幅照相诊断方法相比,分布式表面速度诊断方法可准确获取柱壳圆周范围内的初始断裂信息（含断裂时刻和断裂位置）。利用建立的线起爆膨胀柱壳实验加载和诊断技术,获得了304钢和45钢柱壳的一维柱面动态拉伸初始断裂性能数据（含断裂应变、平均应变率）,其中,45钢柱壳的断裂应变（或延展性）低于304钢柱壳的。     

约束层对金属柱壳膨胀变形影响的数值模拟

对金属铝和硬质聚氨酯泡沫组合的约束层对45钢柱壳膨胀断裂性能的影响进行了数值模拟,得到三种约束条件下45钢柱壳在膨胀过程中表面的速度和位移历史剖面,对比分析了在约束层作用下45钢柱壳膨胀变形动态行为。利用高速分幅相机及中能X光机获得了多个时刻45钢柱壳的动态图像和柱壳膨胀后的工程应变,实验结果与数值模拟结果吻合。结果可对爆轰加载下约束层对45钢柱壳膨胀变形的物理规律进行定量认识。     

爆炸加载下装配垫片对金属柱壳膨胀断裂影响研究

采用多普勒光纤探针测速技术（Doppler pins system，DPS，又称全光纤位移干涉测速技术）和高速摄影技术，研究装配垫片对金属柱壳膨胀断裂的影响，获得了有无垫片对应柱壳外表面位置的速度曲线和垫片对柱壳膨胀断裂影响明显的高速摄影图像。实验结果表明:与无垫片区域相比，垫片区域的柱壳外表面经历了先凸起后内凹的过程，导致垫片对应柱壳的径向运动位移发生反复错位，最终低于无垫片区域约0.34 mm，该位移差可能导致柱壳发生径向剪切断裂；实验结果还表明，在垫片与间隙交界处两侧（沿垫片方向约7.5°、沿间隙方向约9°）处各增加了一条裂纹，该断裂模式既不同于环向拉伸断裂，也不同于45°的剪切断裂，而是由垫片/间隙边界产生的两束稀疏应力波传到柱壳外表面引起的扰动影响所致，这个新的断裂模式与柱壳材料的动态力学性能密切相关。数值模拟结果表明，装配垫片对柱壳断裂机制影响不仅包含该处附加的质量效应，还应考虑炸药通过垫片后作用在柱壳上的冲击加载幅值变化、冲击加载时序与其他部位不同步的差异，以及垫片/间隙交界处引起的表面波传播对柱壳断裂模式的后续发展行为的影响。     

不同热处理条件下45钢柱壳的动态性能

以不同热处理条件下的45钢作为研究对象,利用高速摄影和金相分析来研究45钢柱壳在爆轰加载下的膨胀断裂特性,以及不同热处理条件对材料的动态断裂性能的影响。结果表明:随着回火温度的升高,45钢强度减小、静态延伸率增大,爆轰加载时柱壳表面裂纹产生及发生贯穿断裂而导致产物泄漏的时刻逐渐推迟,相应应变逐渐增加,同时回收到的破片尺寸逐渐增大;四种45钢的静态力学性能及动态断裂性能有明显差异,是因为不同热处理条件下,材料细观组织的结构、组成均发生较大变化,即材料的细观组织决定了材料的静态力学性能及动态断裂性能。     

金属柱壳膨胀断裂的实验与数值模拟

基于一端起爆的柱壳外爆加载装置,采用多普勒速度测量仪(DPS)及高速分幅相机联合诊断柱壳的膨胀断裂过程。实验获得了壳体表面的速度历史和膨胀变形、裂纹萌生扩展到爆轰产物泄露的动态图像。利用光滑粒子流体动力学方法(SPH)开展了对应的数值模拟,计算结果与实验结果吻合较好。实验与数值模拟结果系统地给出了冲击波入射柱壳角、爆轰波稀疏角、内壁速度压力历史及壳体变形应变、壳体断裂等物理信息。     

不同热处理条件下45^#钢柱壳膨胀断裂研究

对不同热处理条件下的45^#钢样品进行静态力学性能测试，采用高速摄影技术对相应状态的柱壳在爆轰加载下的膨胀断裂过程进行研究，并对回收破片进行金相分析。结果表明：回火温度对45^#钢壳体的静态力学性能产生明显影响；相应柱壳的动态膨胀断裂性能也有明显差别。     

爆轰加载下金属柱壳膨胀破裂过程研究

采用前照明的高速分幅照相对不同壁厚的45钢柱壳在爆轰加载下的膨胀破裂过程进行了研究,实验成功拍摄到45钢柱壳前表面裂纹生成、扩展及产物泄漏的过程图像。研究表明:膨胀应变率在104s-1附近时,随着应变率的增加,45钢柱壳的各特征应变均有所增加,断裂模式由拉剪混合向单一剪切转变;45钢柱壳的膨胀破裂有一个过程,从柱壳的外壁面可以观察到裂纹生成至产物开始泄漏经历时间历程的长短与柱壳壁厚相关,柱壳壁越厚,从外壁出现裂纹到产物开始泄漏的时间间隔越长;由回收破片厚度测量推算出的膨胀断裂应变与动态实验过程中产物开始泄漏时的断裂应变基本一致。     

回收战斗部破片的新型爆炸容器及应用

介绍一种回收战斗部破片的新型爆炸容器装置。该装置采用水介质和可拆卸内衬防护板结构抵御破片侵彻,能够反复使用且有效回收爆炸试验后的破片,较好地反映战斗部的破碎状况。利用该装置进行了典型弹丸爆炸试验,研究了战斗部破片特性,证实了爆炸容器在战斗部破碎性试验中的应用是可行的。     

多破片高速冲击下飞机油箱水锤效应数值模拟

作为飞机燃油箱的一种主要损伤模式,水锤效应可能引起油箱结构灾难性的破坏。针对实战环境中多枚破片冲击同一油箱的常见现象,在建立与试验对比一致的单枚破片冲击满水油箱数值模型后,以箱内液体特定单元压力峰值、破片速度衰减、箱内液体吸收的总能量以及油箱壁板变形作为对比参量,分别开展数值模拟,分析其在2枚破片不同间距打击、2枚破片不同时间间隔打击以及多枚破片同时打击时的水锤效应。结果表明:箱内液体的压力峰值来源于破片入水后形成的冲击波,多枚破片入射时液体压力有明显的叠加效应;2枚破片不同时入射将导致先入射破片剩余速度增高;油箱壁板的变形随入射破片数量的增加显著增大。     

轴向增强战斗部端部惰性填充物对端部破片飞散特性的影响

在当前破片战斗部动态毁伤场设计中,中心盲区效应被视为影响战斗部毁伤效率提高的关键因素。轴向增强战斗部作为消除战斗部动态中心盲区的重要手段,越来越受到相关研究人员的重视。本文中基于光滑粒子流体力学计算方法,建立了一系列轴向增强战斗部（端部分别含有惰性聚氨酯填充物、尼龙填充物和爆炸填充物）在爆炸载荷作用下的破碎和碎片散布过程的数值模型,并用于研究战斗部前端填充物特性对壳体动态响应的影响。数值模拟结果表明,填充物对战斗部前部破片的速度影响显著,但对破片飞散角度影响较弱。通过比较特定碎片的速度历史曲线,分析了惰性填料对碎片速度的影响机理。研究结果表明,聚氨酯泡沫填充物可以显著延缓爆炸冲击波对前破片的加速过程,并在一定程度上降低爆炸载荷,尼龙填充物可以在一定程度上降低前向破片和侧向破片的加速度,从而表明爆炸载荷被引导均匀分布在末端位置周围。结合战斗部自身的牵连速度,使用低密度和低质量填料代替头部装药具有相同的动态毁伤效果,可以提高轴向增强战斗部的能量利用效率。     

内部爆炸加载下柱壳的环周分裂数

基于有限长度柱壳的Gurney速度公式,以壳体平均半径估算平均应变率,同时考虑壳体剪切断裂时的断裂面长度与径向壁厚的差异,对Grady-Kipp方法进行了修正,得到柱壳剪切断裂模式下环周分裂数的完整表达式。利用修正方法分析得到的环周分裂数计算结果与实验数据分析结果符合更好。以20号低碳钢柱壳为例,对其在TNT爆炸加载下的膨胀断裂进行了三维数值模拟,得到的环周分裂数模拟结果与实验结果符合较好。     

TA2钛合金开口柱壳外爆碎片分布研究

金属柱壳爆炸膨胀断裂机制及其对碎片分布、特征尺寸的影响是应用物理、力学、兵器工程等领域共同关心的重要课题, 但目前除数值模拟外, 考虑断裂机制的简单二维碎裂模型尚未出现.开展TA2钛合金开口柱壳在不同装药条件下的碎裂实验研究, 通过对软回收碎片的统计及微观分析, 探讨金属柱壳外爆断裂模式及二维碎片分布规律, 结果显示:(1) TA2钛合金柱壳在实验爆压(7 $\sim$ 25 GPa)下宏观断口均为剪切断裂模式, 但机制不同, 在较高爆压下柱壳剪切断裂由多重绝热剪切带破坏控制, 在较低压力下为剪切破坏;(2) 与一维拉伸碎裂相比, 柱壳爆炸碎裂不充分, 碎片质量更符合$\beta=1$ (或更接近1)的指数分布; 爆炸碎裂越充分, 碎片越小并趋于均匀, $\beta$趋于较小的值, 趋向Mott和Linfoot提出的泊松统计分布形式;(3) Rayleigh分布可以较好描述柱壳碎片的宽度分布规律, 不同爆压下柱壳碎片宽度归一化尺寸分布具有相似性, 呈现"量子化"特性, 即存在最小的特征尺寸; (4) TA2柱壳碎片特征尺寸远大于G-K剪切断裂公式预测的尺寸, G-K剪切式描述的是多重绝热剪切带间距.本研究为金属柱壳碎片特征、分布规律及其模型分析提供了重要参考.      

材料动态断裂碎片特性的理论描述

考虑裂纹间相互卸载作用，引入最小尺寸碎片概念。同时，假设断裂成核点随机分布于样品中，依据统计原理导出了一组完备的方程组，由此从理论上给出了碎片的数目及其大小分布关系式。与金属圆柱形壳体和圆环的膨胀破坏实验结果比较表明，该方程组对实验结果具有很好的预测能力。     

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.      

内部爆炸作用下20钢柱壳的变形及相变

研究冲击波作用下金属微观组织变化对于理解柱壳结构在高应变率下的变形及破坏极为重要。实验通过对20钢金属柱壳在内部爆炸载荷作用下的爆炸回收碎片截面进行微观分析,探讨冲击波作用下材料的组织演化、相变特征,同时使用有限元方法对柱壳膨胀断裂过程中的热力学特征进行分析。研究发现:20钢柱壳近内表面满足α→ε相变热力学条件的有限深度区域内,α晶粒内可见明显的平行滑移线分布特征;电子背散射衍射揭示了平行滑移线区域内组织碎化,且存在{112}<111>和{332}<113>两种孪晶,同时平行滑移线的碎化组织区域中存在密排六方晶格(HCP)的ε相结构,而试样原始组织及爆炸后除试样壁厚内部(0～3.0 mm)区域外均未见ε相结构残留。分析认为:冲击过程中发生了α→ε相变;相变引发的材料性能改变将可能影响断裂破坏过程;考虑冲击波作用下金属材料动态相变对结构变形与破坏的影响,对这类柱壳变形及破坏的精密物理模拟具有重要意义,有必要开展进一步研究。