TiNi柱壳在不同约束下的横向冲击实验

为了解TiNi柱壳横向压缩力学性能以制造可重复使用抗冲吸能装置, 对有、无侧向约束的TiNi柱壳进行了横向冲击实验。利用改进的霍普金森压杆装置(SHPB), 配套波形分离方法, 实现了较长时间(~3 ms)的波形测量, 获得了TiNi柱壳在动态加载下的载荷压缩量曲线。通过高速摄影, 捕捉了柱壳的动态变形过程。结果表明, 无约束试件具有优良的可恢复变形能力, 承载力平台段特征明显。侧向约束的引入, 可以有效提高柱壳的承载力和耗能能力, 可以承受更高速度的冲击。选择合适的约束组合, 可望同时实现较大压缩行程和高耗能, 制造实用的抗冲吸能装置。     

TiNi合金圆薄板的横向冲击特性实验

利用改装的霍普金森压杆装置对周边固支伪弹性TiNi合金圆薄板进行了冲击实验,初步得到了该结构在时空2个尺度上的动态力学响应的演变发展现象和规律,包括板中弯曲波的传播、相变区的演化和全场的离面位移等,并和A3钢做了对比。结果表明,由于圆板的二维扩散效应,冲击过程中仅在TiNi板中心很小区域(约5 mm)内形成相变区和相变铰,卸载后相变铰消失,钢试件则留下明显的残余变形。TiNi合金圆板的冲击特性受热弹性马氏体相变和逆相变的支配,不同于传统的弹塑性机制。     

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。     

子弹冲击下TiNi固支梁的结构动态响应特性研究

采用改装的霍普金森压杆装置结合数值模拟对伪弹性TiNi合金固支梁的结构动态响应特性进行了研究。结果表明,在子弹冲击下,撞击点和固定端附近首先发生相变,并随着载荷增加,进一步产生相变铰,梁演变为二杆铰接机构。由于轴力作用,此处相变铰为拉伸侧的单边铰。与传统塑性铰不同,卸载后相变铰完全消失,梁回复原状没有残余变形。此外,对固支边界条件的实现及其对实验结果的影响进行了专门研究。     

TiNi相变悬臂梁的横向冲击特性实验研究

利用改装的霍普金森压杆装置对TiNi形状记忆合金圆截面悬臂梁进行了横向冲击实验研究,并与45#钢悬臂梁的实验结果进行了对比,目的是探索相变对结构动态响应的影响。结果表明:在同样冲击条件下,TiNi悬臂梁的吸能效率优于钢悬臂梁;发现冲击过程中,TiNi试件根部内侧可能形成局部相变铰,使阻力曲线的斜率发生变化;卸载后相变铰消失,TiNi悬臂梁试件基本回复原状,钢试件则留下显著的残余变形。TiNi悬臂梁的冲击特性受热弹性马氏体相变和逆相变的支配,不同于传统的弹塑性机制。     

圆柱薄壳的动相变屈曲行为

利用MTS809材料试验机对TiNi圆柱薄壳进行了轴向动渐进相变屈曲实验，对轴向冲击下处于伪弹性状态的TiNi合金柱壳的动相变屈曲行为进行了数值模拟研究。结果表明，不同的加载强度将会激发出柱壳不同的动屈曲响应模态。当冲击速度较高时,柱壳两端首先形成轴对称环形相变屈曲波纹,并产生应力平台；随着马氏体含量不断增加，环形相变屈曲波纹逐渐贯穿整个壳体，名义应力缓慢抬升；当名义应变超过一定阈值时，对称环形屈曲模态突变为非轴对称块状屈曲模态，名义应力大幅下降。撞击速度为40 m/s的算例（含10％随机缺陷）与S.Nemat-Nasser等的实验结果很好吻合，说明本文中计算模型、方法和结果的有效性经过了实验的考核。结果还表明，相变耗能是TiNi柱壳吸收冲击能量的主要机制，适合制作可重复使用的高效吸能元件，并给出了相应的理想厚径比。     

TiNi合金冲击相变过程中温度变化规律的实验研究

针对初始SME(shape memory effect)和PE(pseudo-elastic)状态TiNi合金试样,采用带有红外测温系统的SHPB冲击压缩装置,实时测量了冲击相变过程中两种材料试样表面瞬态温度,并根据实验结果计算了相应的温度变化。实验结果表明,冲击加载相变过程中,温度随相变应变的增大而升高,当应变最大时,温度最高;卸载过程中,对初始PE状态试样,温度降低,对初始SME状态试样,温度保持最高温度不变或降低,这同加载最高温度有关;卸载完成后,两种试样温度均高于其初始温度。计算温度结果表明,相变耗散功对加、卸载相变过程中温度变化的作用不可忽略。     

FeMnNi合金冲击加卸载历程研究

采用激光速度干涉仪(VISAR),应用逆向加载实验装置FeMnNi飞片/蓝宝石窗口和FeMnNi飞片/LiF缓冲层/LiF窗口,分别对低相变阈值金属FeMnNi合金含相变的低压和高压冲击加卸载历程进行实验研究。参阅文献[3,4]分析了实验结果。在低压加载下,FeMnNi合金样品存在α→ε相变,卸载时存在逆相变ε→α及逆相变引发的卸载稀疏冲击波;在高压加载下,FeMnNi合金样品存在α→ε相变,卸载时可能存在逆相变ε→γ和γ→ε行为及逆相变引发的卸载稀疏冲击波。     

基于数字图像相关方法对冲击载荷下泡沫铝全场变形过程的测试

应用分离式霍普金森压杆(以下简称SHPB)和高速摄影装置研究了冲击载荷下泡沫铝试件全场变形的测量方法。使用SHPB对泡沫铝试件进行冲击压缩实验，同时用高速摄影装置对实验过程进行全程跟踪拍摄。将得到的高速摄影图像采用数字图像相关方法进行分析，由此可得到冲击压缩过程中泡沫铝试件全场应变的分布和变化规律。此研究揭示了冲击载荷下泡沫铝试件局部化变形的发展过程，为研究泡沫铝在不同冲击载荷下不同变形模式的内在机制提供了新的可靠的方法。     

弹性圆柱壳在轴向应力波传播过程中的非对称屈曲

讨论弹性圆柱壳端部受冲击载荷作用，在应力波传播过程中的非对称屈曲问题。通过求解扰动方程得到了动态屈曲的分叉条件、临界载荷和屈曲模态。数值结果表明，当壳壁厚不很薄时，轴对称屈曲临界载荷比非对称临界载荷高；反之，轴对称临界载荷会比非对称临界载荷低。不同的冲击载荷，屈曲模态也将不同。     

金属圆柱壳受大质量低速冲击的屈曲变形

对钢质和铜质金属圆柱壳的轴向冲击动力响应进行了实验研究，记录了两种不同材料圆柱壳在大质量低速冲击下的冲击力时程曲线，得到其屈曲模态。采用高速摄像及模拟技术给出了钢质圆柱壳渐进屈曲的全过程，为理解钢质圆柱壳的屈曲机理提供了直观的结果。黄铜质圆柱壳在大质量低速冲击下, 出现整个壳面滿布屈曲波纹的塑性动力屈曲现象，说明高速冲击不是产生塑性动力屈曲的充要条件。像铜这样具有高密度的韧性材料，在大质量低速冲击下，会在轴向产生持续的压缩塑性流作用而出现塑性动力屈曲现象。     

基于分子动力学模拟的单晶硅冲击压缩相变研究

晶体硅具有复杂的相变机制,在相图研究中受到广泛关注,其在动载荷下的变形机制是当前研究热点。为揭示晶体硅在强动加载下的变形和相变行为特征,基于分子动力学方法,采用平板冲击加载方式,模拟研究了单晶硅在初始环境温度为300 K时分别沿[001]、[110]和[111]晶向的不同强度下的冲击压缩行为,冲击粒子速度为0.3～3.2 km/s。研究发现,随着冲击粒子速度的增加,单晶硅剪切应力在逐渐增加后由于结构相变发生急剧下降,相变阈值和相变机制均呈现各向异性。其中,沿[001]晶向冲击压缩下观察到多种固-固相变以及固-液相变,并观察到与最新文献的实验高度一致的固-液共存现象。研究结果可为动加载下晶体硅的相变研究提供纳米尺度的结果支撑。     

On the structure of the Hugoniot relation for a shock-induced martensitic phase transition

The Hugoniot curve relates the pressure and volume behind a shock wave, with the temperature having been eliminated. This paper studies the Hugoniot curve behind a propagating sharp interface between two material phases for a solid in which an impact-induced phase transition has taken place. For a solid capable of existing in only one phase, compressive impact produces a shock wave moving into material, say, at rest in an unstressed state at the ambient temperature. If the specimen can exist in either of two material phases, sufficiently severe impact may produce a disturbance with a two-wave structure: a shock wave in the low-pressure phase of the material, followed by a phase boundary separating the low- and high-pressure phases. We use a theory of phase transitions in thermoelastic materials to construct the Hugoniot curve behind the phase boundary in this two-wave circumstance. The kinetic relation controlling the evolution of the phase transition is an essential ingredient in this process.      

外压对环肋圆柱壳轴向弹塑性动力屈曲的影响

采用增量理论,借助增量数值解法研究了复合加载（轴向流－固冲击载荷＋径向均匀外压）条件下环肋圆柱壳的弹塑性动力屈曲,采用类似B－R准则和Southwell方法来确定临界载荷,讨论了径向均匀外压对结构动力性态及抗轴冲击能力的影响。     

静力预加载环向加筋圆柱壳的轴向流-固冲击屈曲

将初缺陷放大准则应用于静力预加载环向加筋圆柱壳结构受轴向流-固冲击加载作用时的几何非线性动力屈曲研究中。运用Galerkin方法推导出壳体-肋骨系统的动力屈曲控制方程,并且采用Runge-Kutta法进行数值求解。着重分析了静力预加载荷对结构屈曲性态及抗轴向冲击能力的影响。     

双层环肋圆柱壳受多个物体撞击下的结构动响应

针对双层环肋圆柱壳受到多个物体的撞击问题，采用MSC.Dytran软件对受撞过程中的结构损伤变形、撞击力变化和能量转换进行数值模拟，并与模型试验相对比后发现:双层环肋圆柱壳结构同时受多物体撞击是一个瞬态动响应过程，在巨大瞬时冲击载荷作用下，受撞区壳板会迅速超越弹性变形而产生塑性变形；多物体撞击会造成外壳板一定区域的损伤变形，撞击力会相互干扰，导致其非线性特征更明显。结果表明，双层圆柱壳的外壳能对内壳起到较好的防护作用，在外壳没被撞穿的情况下，其结构变形会吸收绝大部分的撞击动能，可以通过优化外壳的吸能效率来达到双层壳体结构物内壳防撞的目的。     

On dynamic buckling phenomena in axially loaded elastic-plastic cylindrical shells

Some characteristic features of the dynamic inelastic buckling behaviour of cylindrical shells subjected to axial impact loads are discussed. It is shown that the material properties and their approximations in the plastic range influence the initial instability pattern and the final buckling shape of a shell having a given geometry. The phenomena of dynamic plastic buckling (when the entire length of a cylindrical shell wrinkles before the development of large radial displacements) and dynamic progressive buckling (when the folds in a cylindrical shell form sequentially) are analysed from the viewpoint of stress wave propagation resulting from an axial impact. It is shown that a high velocity impact causes an instantaneously applied load, with a maximum value at t=0 and whether or not this load causes an inelastic collapse depends on the magnitude of the initial kinetic energy.     

压剪复合平板冲击加载技术进展及其应用

自20世纪70年代末发明压剪炮以来, 压剪复合冲击加载实验技术和诊断技术 有了长足进展, 应用也日益广泛.由于压剪联合加载波直接反映了材料的动态 剪切特性, 对于认识材料的屈服、损伤演化、失效、相变、界面滑移等动态行 为和机理, 构筑更全面的本构模型能够提供必要的附加信息.本文主要讨论气 炮实验中压剪复合应力波的产生方式, 诊断技术, 以及在压剪复合塑性波和动 高压本构模型、聚合物压剪冲击行为、剪切波跟踪法(SWT)和水泥基复合材料的 损伤和失效、界面动摩擦行为、冲击相变、动态损伤和断裂等方面的研究与应 用进展.     

多破片对柱壳装药冲击起爆速度阈值的数值模拟研究

为了研究实战环境中多个钨球破片对导弹战斗部（柱壳装药）的冲击起爆问题，采用AUTODYN-3D数值模拟软件，基于单破片撞击柱壳装药模型，建立多破片撞击柱壳装药的模型，开展了不同钨球个数、空间碰撞位置间隔（撞击角θ、轴向球心距l）及时间间隔对冲击起爆特性影响的数值模拟，获得了带壳B炸药的起爆速度阈值。结果表明:相同条件下，随着钨球个数的增加、空间碰撞位置间隔的减小，起爆速度阈值逐渐减小，6个钨球同时撞击的起爆速度阈值约为单个作用下的50%；双钨球作用下，柱壳装药相较于平板装药更难以起爆；双钨球间隔撞击柱壳装药时，起爆速度阈值均随着撞击时间间隔的增大而先减小后增大，最小起爆速度阈值约为同时撞击时的95%，且|θ₂|＜|θ₁| （θ₁为第1个钨球的撞击角，θ₂为第2个钨球的撞击角）时更容易起爆柱壳装药。