45钢柱壳膨胀断裂的应变率效应

采用前照明高速分幅照相技术拍摄到在爆轰加载下45钢柱壳表面裂纹生成、扩展及产物泄漏过程的清晰图像,较准确地测量了膨胀断裂的时间与应变。 45钢柱壳在炸药爆轰加载下,断裂应变随应变率的增加而增加,当应变率达到一定值,断裂应变随应变率的增加而降低,出现了动态断裂中的塑性峰现象。     

45钢柱壳爆炸膨胀断裂的SPH模拟分析

金属柱壳爆炸膨胀断裂存在拉伸、剪切及拉剪混合等多种断裂模式,目前其物理机制及影响因素还不清晰。本文中采用光滑粒子流体动力学方法（smoothed particle hydrodynamics, SPH）对45钢柱壳在JOB-9003及RHT-901不同装药条件下的外爆实验进行了数值模拟,探讨柱壳在不同装药条件下发生的剪切断裂、拉剪混合断裂模式及其演化过程,模拟结果与实验结果一致。SPH数值模拟结果表明:在爆炸加载阶段,随着冲击波在柱壳内、外壁间来回反射形成二次塑性区,沿柱壳壁厚等效塑性应变演化呈凸形分布,壁厚中部区域等效塑性应变较内、外壁大;在较高爆炸压力（JOB-9003）作用下,柱壳断裂发生在爆轰波加载阶段,损伤裂纹从塑性应变积累较大的壁厚中部开始沿剪切方向向内、外壁扩展,形成剪切型断裂模式;而在RHT-901空心炸药加载下,虽然裂纹仍从壁厚中部开始沿剪切方向扩展,但随后柱壳进入自由膨胀阶段,未断区域处于拉伸应力状态,柱壳局部发生结构失稳,形成类似“颈缩”现象,裂纹从剪切方向转向沿颈缩区向外扩展,呈现拉剪混合断裂模式。拉伸裂纹占截面的比例与柱壳结构失稳时刻相关。可见,柱壳断裂演化是一个爆炸冲击波与柱壳结构相互作用的过程,不能简单将其作为一系列膨胀拉伸环处理。     

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。     

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。     

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。     

爆炸与电磁加载下无氧铜环、柱壳的断裂模式转变

考虑断面收缩率、局域断裂应变以及平均断裂应变，并基于电磁膨胀环、爆炸膨胀环(柱壳)实验平台，研究了高纯无氧铜(TU1)环及柱壳在高应变率载荷下的膨胀断裂行为。采用高速摄影技术拍摄柱壳外壁的膨胀断裂形貌演化过程，用于确定柱壳平均断裂应变；利用激光干涉测速技术获得样品径向膨胀速度历史，用于确定加载应变率；利用样品的全回收测量及微观表征，确定了无氧铜环、柱壳的局域断裂应变及断裂模式。实验表明，随着应变率的增加，TU1材料的平均断裂应变增加，断面的收缩程度加剧，并在应变率约为1.0×104 s-1附近会出现明显的断裂模式转变，断面收缩率出现量级上的跳跃，从100变化至约103，局域断裂应变呈现明显的分区现象。     

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。     

45钢薄壁圆柱管的冲击膨胀断裂机理研究

采用改进型霍普金森压杆实验技术,对不同膨胀断裂状态的45号钢薄壁金属圆柱管进行了冻结回收,直接观测了薄壁金属圆柱管动态膨胀断裂过程中的裂纹萌生、扩展情况以及最终断裂模式等断裂演化特征。对冻结回收样品进行的金相显微分析完整观察到了裂纹萌生、扩展直至断裂的整个膨胀断裂过程,并得出以下结论:薄壁金属圆柱管在中应变率的膨胀断裂过程中,拉伸和剪切断裂机制起主导作用。裂纹萌生于外壁面,并由外向内扩展,断裂模式随加载应变率的提高逐渐由拉剪混合向纯剪切过渡。与爆轰加载的高应变率薄壁金属圆柱管断裂过程不同的是,随加载载荷的增加,薄壁金属圆柱管的断裂逐渐由拉伸断裂向剪切断裂过渡,而非绝热剪切断裂,这种差异的产生原因尚待研究。     

膨胀柱壳恒定应变率的本构关系

考虑到金属柱壳膨胀过程中随机裂纹萌生对测试结果的可能干扰，设计了预置有中心穿透圆孔的柱壳样品，采用多普勒光纤探针测量系统获得了柱壳外壁更优的径向速度历史。基于膨胀柱壳实验中固有的非恒定应变率现象，研究了获得恒定应变率下本构方程的方法，并采用改进后的本构方程确定方法，获得了20钢恒定应变率下的应力应变关系。     

微缺陷对圆管膨胀断裂的影响

通过理论和数值模拟分析了缺陷方向和位置对圆管膨胀破裂的影响，采用微缺陷研究方法进行了新的解释。采用含微缺陷的圆管模型探讨了微缺陷对圆管膨胀断裂影响，表明微缺陷将加速圆管径向扩展和剪切扩展相互贯通的过程。分析了实验获得的膨胀断裂应变与作为材料基本参数提供给计算程序的断裂（失效）应变的关系，说明在考虑圆管沿壁厚的破裂过程中，两者不是同一概念，只有将实验获得的断裂应变经过一定的推导后才能作为材料基本参数用于程序计算。     

Fracture behavior of explosively loaded spherical molded steel shells

Experimental and numerical works are made to study the fracture of explosively loaded spherical molded steel shells. The first series of experiments included three sawdust recovery shots to save fragments for examination. In this series, detonation was initiated from the center of the sphere. Results of the experiments show that two types of fractures are observed in spherical shells: radial and shear as in cylindrical shells. Spall fracture is also observed in spherical shells. To assist understanding of the experimental results, a computer simulation of expanding shells is performed to provide information on the stress, strain, strain rate and position of each element of the shell wall as a function of time after detonation. For t=7.5 μs after detonation, triaxial non-uniform strain prevails in the middle of the thickness of the wall. The peak of the stress equals to 6.5 GPa and exceeds the spall strength of carbon steel. In the second series of experiments, spall fracture is suppressed by displacing the point of detonation initiation from the center to periphery of HE charge.     

基于SHPB装置的膨胀圆柱管实验技术

采用改进的SHPB实验装置对45钢薄壁金属圆柱管进行了膨胀断裂加载,完成了不同变形程度 (覆盖圆柱管整个变形及断裂过程)圆柱管的冻结回收实验。回收样品可用于断裂机理研究分析,通过数值模 拟辅助分析和实验数据拟合得到了圆柱管凸起处的径向应变、应变率和环向拉伸应力。通过在圆柱管端粘贴 应变片监测断裂信号的方式,准确判断了圆柱管凸起处发生断裂的时间,以及径向断裂应变、应变率和环向拉 伸断裂应力,在102~104s-1应变率范围内,SHPB实验装置可用于研究金属圆柱管膨胀断裂。     

爆轰加载下柱壳断裂时刻微小差异测量方法

对于断裂时刻差异较小的对比实验，提出一种判读方法:同时采用高速摄影和干涉测速，利用高速摄影判读壳体断裂时刻应变，利用干涉测速获取壳体位移及应变曲线，两者结合得出较为精确的壳体断裂时刻差异。利用该方法得出45钢柱壳在JO-9159和JOB-9003两种炸药加载下断裂时间相差0.45 μs，钨合金柱壳在两种炸药加载下的断裂时间相差0.39 μs。同时该方法可以推广应用于单发壳体膨胀断裂实验中，更精确测定壳体的断裂时刻。     

钛合金TC4材料热处理工艺对圆筒在内爆炸载荷下膨胀半径的影响

对采用两种不同热处理工艺的钛合金TC4材料进行了Hopkinson拉伸实验、圆筒爆炸实验和数值仿真,从而确定了两种不同热处理工艺的优劣并通过微观分析揭示了钛合金TC4材料微观组织结构对内爆炸载荷下圆筒膨胀半径的影响。实验和数值分析表明:采用双重退火热处理工艺的钛合金TC4材料具有良好的动态力学性能。在相同的加载条件下,经此工艺处理的TC4圆筒在爆轰产物未泄漏之前有着充分的膨胀半径,而且也不容易形成绝热剪切破坏。同时,给出的依据高速摄影照片确定筒壳断裂点的方法是切实可行的,获得的断裂时间与数值分析结果吻合。     

内部爆炸作用下钢筒变形过程的电探针测量技术

为了研究圆柱形爆炸容器在炸药爆炸作用下的变形过程,设计了电探针测量内部爆炸作用下钢筒变形的方法。采用数值模拟方法进行预估,在钢筒的中心进行了120g TNT和180g TNT当量球形装药下的爆炸加载实验,获得了爆炸不同时刻钢筒径向位移随时间的变化关系,电探针测量钢筒最大变形与实验后钢筒变形测量结果较好吻合。