一种基于空穴聚集的层裂模型

基于如下假设，给出了层裂过程中的应力松弛方程，并建立了一种基于空穴聚集的延性层裂模型:在层裂早期，微空穴的主要效应是减小应力作用面积；在层裂后期，应力按空穴聚集时的应力-空隙度依赖关系减小。把P.F.Thomason、D.L.Tonks等及S.Cochran等给出的依赖于应力（压力）的层裂空隙度方程分别耦合于守恒方程、计及损伤的状态方程及本构方程，建立了求解所有变量包括损伤的封闭方程组。这种基于空穴聚集的层裂模型已被应用于一维层裂试验的数值模拟。模型中的层裂强度及临界损伤度初始可以估计，最终的确定将使数值模拟结果与实测的速度（或应力）剖面以及观测的层裂面上的损伤基本一致。分别基于D.L.Tonk等及S.Cochran等给出的依赖于压力的层裂空隙度方程所作的一维层裂试验数值模拟结果基本一致，而与基于P.F.Thomason给出的依赖于应力的层裂空隙度方程所作的相应数值模拟结果有明显差异。     

层裂微裂纹的形态及层裂程度的表征参量

层裂是冲击载荷造成材料破坏的一种典型方式。文中运用超声Ｃ扫描检测系统对层裂试件的微损伤形态进行检测，确是出在一维应变加载条件下的微裂纹形态呈钱币型；另一方面，根据钱币型微纹形态，通过对层裂损伤演化过程的分析，提出了一个描述层裂程度的无量纲参量，与层裂实验数据的对比说明了这个参量能够很好地描述层裂损伤程度。     

含氦泡辐照老化材料层裂损伤计算方法分析

辐照条件下，一些材料内部产生大量的氦泡等微缺陷，氦泡的大小和数密度随着辐照年限的增长而增长。氦泡分布特征的变化不仅影响材料本身的物理、力学性质，而且直接影响材料层裂损伤演化后期材料破坏颗粒度的分布特征。延性材料的层裂损伤演化过程一般包括孔洞的成核、增长和汇合，但因已有孔洞对新成核孔洞存在抑制作用，当初始孔洞数密度达到一定临界值时，材料内部没有新的孔洞成核，因此，层裂损伤的计算可以不考虑新孔洞成核的影响。本文中基于损伤早期演化的特征，给出了这一临界值的计算方法，并进一步探讨了含氦泡辐照老化钚材料层裂损伤的计算方法。同时，在完善孔洞增长(void growth, VG)层裂损伤模型中参数的确定方法的基础上，借助含氦泡常规铝材料的层裂实验结果，对此问题进行了定性的分析：在氦泡尺寸变化不大的情况下，当氦泡浓度低于临界氦泡浓度时，需要考虑初始氦泡以及新增孔洞的综合影响；反之，可以采用简单的层裂损伤模型，不需要计算孔洞成核，但由于增长孔洞之间的相互影响，损伤模型的初始损伤参数需要重新确定。     

一维含气多孔介质突然卸载破坏引起渗流变化的实验研究

利用煤激波管进行了一维含气多孔介质在突然卸载条件下的破坏实验,并对破坏的形态(层裂和层松)以及破坏前后气体渗流特性的变化进行了实验研究。实验结果表明:试样的破坏存在层裂和层松两种典型的破坏形式,破坏后煤样渗透率的变化本质上是由层松引起的;渗透率的分布与破坏应变直接相关,而充气压力是决定总体变化的参数;试样开裂破坏后的渗透率是原始渗透率的1～2倍;随充气压力增加.破坏深度按某一特征厚度的倍数增加。     

钢纤维混凝土的层裂特征

利用大直径Hopkinson压杆作为实验设备,通过试件后面的吸收杆应变波形分析了钢纤维增强混凝土的层裂特征。实验结果表明,钢纤维混凝土的层裂强度与钢纤维含量、混凝土压缩强度以及加载速率有关,并给出了经验公式。和素混凝土相比,钢纤维混凝土具有更高的层裂强度和更好的阻止损伤演化和裂纹扩展的能力。高速摄影结果表明,钢纤维混凝土层裂时,层裂段的飞离是由于陷在层裂段中应力波的动量效应,而且在层裂段中不易出现再次层裂的现象。这些现象和相同加载条件下素混凝土的层裂破坏有明显差别,说明钢纤维可以很好地提高混凝土抗层裂能力,其结论对相关的数值模拟和防护工程设计有重要意义。     

一种铝合金层裂破坏的分形形貌与微结构的相关性

针对高速冲击下材料的层裂破坏，用盒子计数法和码尺法计算了一种铝合金的层裂剖面的分形维。结合层裂破坏形貌的微观观测讨论了分形标度区范围。测定了材料的微结构分布，对材料中的二相粒子尺寸，晶粒尺寸以及相邻的二相粒子间距的分布，层裂破坏形貌展示的自相似范围和计算分形维数时的标度区范围进行比较，发现相邻的二相粒子间距的分布范围和层裂破坏形貌的自相似范围以及分形维的标度区范围是相当的。     

混凝土层裂强度测量的新方法

提出了利用Hopkionson压杆测量混凝土层裂强度的新实验方法:用高聚物材料取代传统的金属材料透射杆,混凝土试件为细长杆,由于高聚物波阻抗比混凝土小,试件中压缩波在试件/吸收杆界面反射后形成拉伸波使试件产生层裂破坏,通过吸收杆上透射波形可以确定混凝土层裂强度。由于波在粘弹性材料中的弥散效应,吸收杆中透射波形会发生变化,但三维有限元分析表明,在利用吸收杆上透射波确定混凝土层裂强度时弥散产生的影响可以忽略。按照一维特征线理论,可以由吸收杆上的应变波形确定出混凝土材料的层裂强度。     

钢纤维混凝土层裂强度的实验研究

钢纤维能显著提高混凝土抵抗层裂破坏的能力,但纤维含量、长细比和形状对高应变率下钢纤维混凝土层裂强度的影响仍缺少系统研究.本文利用大直径Hopkinson杆对混凝土细长杆件进行冲击加载,通过放置在试件后方的空心铝合金杆上应变波形确定试件的层裂强度,系统研究了钢纤维含量、长细比和形状对钢纤维混凝土层裂强度的影响.实验结果表明钢纤维混凝土层裂强度具有应变率效应,即应变率越高层裂强度越高.钢纤维对混凝土层裂强度的增加与纤维影响系数α、纤维长细比和纤维含量三者之乘积具有线性关系.动态加载条件下的系数α高于静态,其原因主要是动态加载时纤维快速从基体拔出时动态剪应力增加.波浪形纤维混凝土的系数α比扁头型纤维高.根据实验结果建立了钢纤维混凝土层裂强度经验公式,公式预测结果能与实验结果较好吻合.     

三角波强加载下延性金属多次层裂破坏问题

基于应力瞬时断裂判据和Tuler-Butcher损伤累积判据，分析了没有升压的简单三角波强加载下延性金属的多次层裂破坏问题。分析结果显示:层裂片的厚度随着冲击波宽度与强度的比值的增大而增大，材料的破坏深度小于冲击波宽度的一半；在强冲击加载下，材料的破坏深度约为冲击波宽度的一半。     

金属材料层裂破坏的内聚力模型

本文把内聚力单元嵌入到连续介质有限元单元之间,构建了一个层裂破坏的内聚力模型,以计及层裂破坏过程中能量耗散行为。采用该模型对平板撞击条件下的20号钢层裂实验进行了数值模拟研究,重点讨论了内聚力模型特征参数对计算结果的影响规律。研究结果表明采用指数型损伤演化行为的内聚力模型可以较好地描述弹塑性材料层裂破坏过程中的非线性能量耗散行为。利用一发实测自由面速度波剖面对计算结果进行对比校准,可确定内聚力模型特征参数。该特征参数可同样成功地预示不同撞击速度下的层裂实验,获得的模拟曲线与实验曲线之间符合程度很好,特别是自由面速度“回跳”后波形振荡周期和幅值与实验结果非常接近。这表明了内聚力模型在描述层裂过程中能量耗散行为方面具有较好适用性,并且不难由简单实验标定相关的特征参数。     

一维应变条件下金属层裂的实验研究

材料的层裂是由两个相向的拉伸应力作用引起材料断裂的一种现象，是一个被普遍关注的力学问题。本文中主要对层裂研究的意义、历史和现状，一维应变条件下层裂的原因、表征、加载方式及测试技术等问题进行了综述，并讨论了影响层裂强度的几种主要因素。     

钢圆管在内爆加载下的层裂特性研究

利用完整回收技术,获得了20钢圆管在不同固体装药厚度、装药类型以及外壳条件的滑移内爆加载下形变和层裂的特征和规律,得到了钢圆管层裂的相对临界装药厚度等初步结果,分析了装药类型、装药厚度、外壳对钢圆管层裂的影响。     

混凝土一维应力层裂实验的全场DIC分析

基于74mm直径分离式Hopkinson杆(SHPB)实验平台进行了混凝土杆的一维应力层裂实验.采用超高速相机(采样频率:2 $\mu$s/frame)结合数字图像相关法(DIC),记录混凝土试件中的动态位移场实时变化情况,探讨了混凝土在拉伸断裂过程中的表面位移场及速度场演化规律.针对实验中出现的多重层裂现象,基于一维应力波传播理论,指出各个位置在发生层裂时,其最大拉应力均由透射压缩波与反射拉伸波叠加而成,各处层裂发生时均处于一维应力状态.并提出了根据层裂位置左右两点速度趋势变化判断层裂发生时刻的判据.该判据可以给出所有层裂的起裂时间,结合DIC分析直接给出了混凝土多重层裂应变.结果显示混凝土的拉伸强度具有明显的应变率效应,在30 s$^{-1}$的应变率下,其拉伸强度的动态增强因子(DIF)可以达到5.与传统的波叠加法和自由面速度回跳法相比,DIC全场分析法不受加载波形限制,可以精确给出每个层裂的位置和起裂时间,从而得到试件在高应变率加载下不同位置处的断裂应变、拉伸强度及相应应变率,提高了测量效率.      

复杂应力状态下材料层裂特性探讨

在综述一维平面应变下层裂研究特点和研究方法的基础上,采用实验转换的方法,近似模拟球面层裂的受力特征,获得了不同预应变下LY12铝合金层裂信号,表明材料的层裂强度与所处应力状态密切相关。结合这些研究成果,探讨了复杂应力条件下层裂的新特征,讨论了可能用于层裂研究的方法及其改进措施。     

预制缺陷对花岗岩层裂破坏的影响

利用50 mm杆径的霍普金森压杆装置对完整和预制缺陷花岗岩试样进行层裂破坏实验,并采用高速摄像仪记录了试件层裂破坏的全过程。通过理论分析,计算了半正弦波加载情况下完整杆可能的初始层裂位置。高速摄影结果显示,预制缺陷对初始层裂位置具有一定影响,层裂一般发生在预制缺陷处。结合PFC2D（particle flow code in two dimensions）数值模拟进一步发现,初始层裂位置受到预制缺陷和反射拉伸波上升沿的影响,反射拉伸波上升沿越长,初始层裂越可能发生在预制缺陷处,反射拉伸波上升沿越短,初始层裂位置发生在预制缺陷处的可能性则相对越小。     

层裂问题的交错网格物质点法研究

交错网格物质点法(Staggered Grid Material Point Method, SGMP)有效地消除了物质点法(Material Point Method, MPM)的跨网格数值误差,是模拟冲击爆炸等涉及大变形与材料破坏问题的一种有效数值分析方法.为了研究层裂问题,论文将质点失效模型引入交错网格物质点法中,对Hopkinson杆碰撞、飞片撞击靶板碰撞和混凝土受爆炸载荷冲击等层裂问题进行了数值模拟研究,结果表明SGMP可以很好地模拟层裂问题.     

平面碰撞与强激光加载下金属铝的层裂行为

在轻气炮和神光Ⅱ强激光装置上开展了金属铝的层裂实验。针对激光打靶层裂实验中样品自由面速度剖面后期振荡容易丢失问题,改进靶设计,获得很好效果。利用轻气炮加载和强激光加载层裂实验应变率的显著差异,并通过数值模拟,讨论了在建立具有预测能力的理论建模中需要关注的损伤成核、演化与汇合问题中的材料特性与应变率相关特性因素。结果表明,对于我们以前建立的动态损伤与断裂模型,微孔洞成核的平均半径、阈值压力、成核速率相关参数以及微孔洞长大的阈值压力等具有材料特性属性,但微孔洞的表面能以及决定材料发生完全层裂的临界损伤度等具有明显的应变率效应。另外,分析还发现,虽然层裂强度具有明显的应变率效应,但是在样品层裂当地,样品由持续拉伸向收缩转变的临界行为,取决于一个很小的临界损伤,这个临界值很可能是材料常数,与应变率无关。     

脆性材料中应力波衰减规律与层裂实验设计的数值模拟

对混凝土、岩石类脆性材料的层裂实验进行了有限元模拟,研究了应力波在此类材料中传播的衰减规律,包括两类机制:弹性波因大尺寸试样的几何弥散产生的小幅度线性衰减、与应变率相关的黏塑性波因本构关系导致的指数衰减。在此基础上,提出了包含常数项的指数型应力波峰值拟合公式。建议采用可以忽略应力波衰减影响的细长形试样进行层裂实验。混凝土类脆性材料层裂破坏模拟结果显示,有限元模拟得到的层裂片厚度与一维应力波理论得到的结果非常吻合,验证了按一维应力波理论确定层裂强度的实验方法的有效性。通过对比3种不同入射波形下层裂片的形状和净拉应力波形,发现不对称的入射波形状更有利于实验获得平直的层裂断面和较准确的层裂强度。     

热障涂层层裂断裂性能的研究

热障涂层在高温工作环境下,由于热梯度产生的热应力不匹配会导致热障涂层层裂或剥落失效.本文针对热障涂层层裂问题,考虑温度梯度引起的热应力不匹配因素,建立热障涂层层裂I/II复合型断裂准则,并针对分层裂纹在陶瓷层与粘结层界面上和附近的三种存在形式,进行了热障涂层结构单裂纹层裂的算例分析.结果表明界面处层裂纹对应变能释放率影响最大.     

纯铁材料的冲击相变与"反常"层裂

采用VISAR、X射线衍射和金相处理联合测试分析技术,开展等厚对称碰撞实验,研究了纯铁材料的冲击相变与层裂行为特征。结果发现,冲击加载压力大于纯铁材料相变阈值(13 GPa)时,等厚对称碰撞样品发生反常2次层裂。结合相关文献的实验结果,从应力波相互作用的角度分析了反常层裂形成的原因,指出纯铁材料的冲击相变和卸载逆转变及引发的稀疏冲击波是导致反常2次层裂的物理机制。