高导无氧铜杆高应变率拉伸下的颈缩与断裂

采用Hopkinson拉伸实验装置和一种高速拉伸断裂实验新装置,对高导无氧铜(OFHC)杆件进行了一系列高应变率拉伸断裂试验.实验结果表明,局部化的断裂应变随拉伸速度增大并不明显增大,其断裂位置有随机性.存在一种临界拉伸速度,当冲击拉伸速度大于此值时,断裂即发生在冲击拉伸端附近,杆的其它部分几乎无应变.采用典型的Johnson-Cook本构关系,使用LS-DYNA程序进行一系列数值模拟,提出颈缩处直径收缩率达极值的颈缩失效判据,由此计算所得的局部化颈缩应变及断裂位置与试验回收结果有一定差别.     

高导无氧铜圆柱-平板冲击实验及不同本构模型效果比较

利用一级气炮对高导无氧铜(OFHC)进行了圆柱以205 m/s速度冲击平板实验,并进行了数值模拟。用锰铜应力计测试了靶中应力随时间的变化,并进行了回收观测。采用Johnson-Cook(J-C)、Zerilli-Armstrong(Z-A)、Steinberg-Cochran-Guinan(S-C-G)3种本构模型对实验进行了数值模拟。实验结果与数值模拟结果比较表明:就峰值应力而言,采用J-C、Z-A及S-C-G本构模型的计算结果都比较接近实验;就圆柱变形而言,Z-A及S-C-G模型的计算较J-C模型结果更符合实验。然而,速度为500 m/s冲击实验的数值模拟结果表明:3种本构模型的计算结果差异明显。     

高导无氧铜杆的冲击拉伸断裂系列实验以及基于样本体积单元的分析

采用Hopkinson装置和一种基于一级气体炮的高速冲击拉伸断裂装置,研究了无刻槽高导无氧铜 (OFHC)杆在一系列冲击拉伸速度下的断裂。当冲击拉伸速度大于40m/s时,断裂位置总在冲击拉伸端附 近,此速度被确定为OFHC的实验临界冲击拉伸速度。一种受单轴冲击拉伸荷载的、中心含椭球空穴的样本 体积单元被用于数值模拟所含空穴的增长与失稳的过程。OFHC的J-C与Z-A 本构关系用于描述基体材料 的动态响应。讨论了空穴失稳条件并提出以空穴形状演化为判据,比较了空穴失稳时的样本体积单元平均径 向应变与无刻槽杆的冲击断裂应变。也用这种样本体积单元模型分析了OFHC的实验临界冲击拉伸速度。     

无氧铜平面冲击波实验的横向应力测试及屈服强度确定

为直接确定平面冲击波实验中无氧铜的流动应力,测量了试件中的纵向应力和横向应力,得到了试件中流动应力随时间的变化。采用构建的7种本构模型对无氧铜平面冲击波实验进行数值模拟,比较了实验结果与理论计算结果。研究指出,由SHPB等确定的中等应变率本构并不能拓宽应用于平面冲击波实验。     

单轴应变：本构关系——它的内容、方法和意义

论述了单轴应变加载下固体中偏应力的基本含义和偏应力在本构关系研究中的意义。指出了加载-卸载波剖面测量在本构关系研究中的重要作用。建立了测量金属材料在平面冲击压缩下的剪切模量的基本方法,对表征固体材料弹性特性的剪切模量在冲击压缩状态下的物理含义做出了解释。根据剪切模量的一般性定义,建立了描写受冲击材料的准弹性-塑性卸载特性的有效剪切模量与纵波声速和横渡声速的关系。通过同时测量受冲击材料中的追赶稀疏波速度和波后粒子速度,获得了LY12铝在20～110GPa冲击压力和无氧铜在41～104GPa冲击压力下的声速和剪切模量,以及从冲击压缩状态卸载时沿着准弹性卸载路径的声速和有效剪切模量。 对目前广泛使用的描写单轴应变下固体材料的加载-卸载响应特性的SCG本构模型进行了分析,指出该本构关系的局限性,认为这种本构关系原则上不能用来描写受冲击材料的卸载过程。根据LY12铝和无氧铜的实验研究结果,对SCG本构关系中的剪切模量方程进行修正,讨论了修正的物理含义。修正后的方程与实验测量结果符合很好,在此基础上提出新的加载本构方程。 根据铝和铜沿着准弹性卸载路径的声速测量结果,提出了描写受冲击压缩固体的准弹性卸载的有效剪切模量方程和相应的屈服强度方程。建立了单轴应变下包含加载-卸载过程的新的本构方程。根据本文的实验测量结果,给出了铝合金和无氧铜卸载本构方程的解析形式,确定了相关参数。 依据文中提出的加载本构和卸载本构方程,对实验测量的6发LY12铝的波剖面、美国5发6061-T6铝合金的加载-卸载波剖面及冲击波衰减数据,进行了数值模拟计算和预测。计算中采用与本文测量相同的卸载本构参数,计算结果与实验结果符合很好,再现了这些波剖面的准弹性-塑性卸载行为和冲击波衰减行为。对3发无氧铜波剖面的计算模拟,也获得了令人满意的结果。 最后,从现象学出发,对发生在冲击波阵面内的弹-塑性屈服过程进行了分析,对固相区冲击波后材料的状态不在屈服面上的原因进行解释。     

JC本构参数反求中的自适应微型遗传算法

提出自适应微型遗传算法,使种群的交叉和变异概率可以根据适应度的大小自我调节,该算法经过了测试函数的测试。本文以JC(Johnson-Cook)本构模型描述的高导无氧铜材料为例,集成运用该算法和有限元方法来反求JC动态本构参数。结果表明,该方法提高了收敛速度和搜索效率,能够快速地获取参数。     

CDM模型及在纤维增强层合材料侵彻数值模拟中的应用

基于纤维增强层合材料的一种三维连续损伤本构模型（continuum damage constitutive model, CDM）,采用动态有限元程序LS-DYNA对Kevlar纤维增强层合材料的弹道侵彻过程进行了数值模拟,预测了弹丸的剩余速度以及靶板的变形和破坏模式,给出了弹道冲击下不同损伤模式的分布及演化。通过与实验结果的比较验证了数值计算的有效性和合理性。     

破片撞击装药点火实验和数值模拟

实验中采用升 降法得到了破片撞击装药点火的临界速度范围,数值模拟中采用节点约束 分离方法、热弹塑性材料本构方程和化学动力学方程描述了炸药的破坏行为和点火反应。实验结果与数值模拟结果吻合较好。研究结果表明,采用节点约束 分离方法、热弹塑性材料本构方程和化学动力学方程可以有效地描述装药在破片撞击作用下的破坏行为和点火反应。     

一种高强度钢的动态力学本构参数识别和数值模拟

分析了N-1钢在不同应变率条件下(10-3~103s-1)的应力应变关系实验结果,得到了N-1钢的应 变率强化特性。修正了平板试件断裂面中心的真实应力,并通过对真实应变与最小截面的厚度缩减率关系的 研究,得到了断裂面中心的真实应变,从而识别出了N-1钢的修正Johnson-Cook本构模型的参数。利用所确 定的本构关系模型,对N-1钢平板试件的杆-杆型冲击拉伸过程进行了数值模拟,模拟结果与实验结果较吻 合,验证了采用的修正的Johnson-Cook本构模型参数的实验识别方法以及数值模拟方法的正确性。     

碳纳米管/碳纤维增强复合材料层合板低速冲击响应和破坏的数值模拟

碳纳米管/碳纤维增强复合材料（carbon nanotube/carbon fibre reinforced plastic,CNT/CFRP）是一种多尺度复合材料,比传统CFRP有更好的综合性能和更广阔的应用前景。对CNT/CFRP在低速冲击下的响应和破坏进行了数值模拟研究。首先,基于先前的研究通过引入基体增韧因子、残余强度因子并改进损伤耦合方程,建立了新的FRP动态渐进损伤模型;然后,利用新建立的本构模型并结合黏结层损伤模型,对4种碳纳米管含量的增韧碳纤维增强树脂基复合材料层合板在5个能量下的冲击实验进行了数值模拟;最后,将模拟结果与文献中的相关实验结果进行了比较,并讨论了冲击速度的影响。结果表明:新建立的FRP本构模型能够预测CNT/CFRP层合板在低速冲击载荷作用下的响应、破坏过程和分层形貌,模拟得到的载荷-位移曲线和破坏形貌与实验吻合较好;冲击速度会影响CNT/CFRP层合板拉伸和压缩破坏的比例,相同的冲击能量下,更大的冲击速度会造成更多的拉伸破坏。     

高压气体驱动二级轻气炮发射过程的数值模拟方法及应用

二级轻气炮是一种常见的超高速发射装置,多年来其数值研究大多采用简化一维模型,鲜有三维有限元模型。以14 mm口径高压气体驱动二级轻气炮为研究对象,采用耦合欧拉-拉格朗日（coupled Eulerian-Lagrangian, CEL）算法,根据膜片破裂与否,将二级轻气炮模型解耦为2个分级三维数值模型。为确定实验难以测得的参数（材料摩擦因数和膜片破膜压力）,设计正交试验,拟合确定活塞与泵管间摩擦因数为0.82,弹丸与发射管摩擦因数为0.30和膜片破膜压力为11.73 MPa。正交结果表明,摩擦因数对计算结果影响较大,在高压气体驱动二级轻气炮的计算中不应忽略。通过上述方法建立数字化高压气体驱动二级轻气炮,完整复现气炮发射过程,计算的弹丸终速与实验结果吻合度高。选取验证工况详细分析了气炮发射过程内流场变化,并呈现关键时刻的压力云图。该气炮简化方法、分级思想和关键参数确认方法可推广应用于固体发射药驱动、爆轰驱动等其他驱动形式的二级/多级轻气炮。     

拉伸应变率对20钢层裂特性的影响

采用轻气炮加载技术和激光速度干涉(VISAR)测速技术相结合,对不同拉伸应变率条件下20钢的层裂特性进行了实验研究。通过改变飞片和样品的几何尺寸来调整拉伸应变率的大小,研究了拉伸应变率对20钢层裂强度的影响。实验的拉伸应变率的变化范围为104~106 s-1,最大拉伸应变率接近激光加载所能产生的拉伸应变率,相比激光加载,薄飞片技术容易保证一维应变条件。实验结果显示20钢的层裂特性明显依赖着拉伸应变率的大小,106 s-1条件下层裂强度比104 s-1时提高近70%。基于对数值计算结果的分析,讨论了影响层裂强度的主要外载荷因素。     

单层5A06铝合金板高速撞击实验研究

采用非火药驱动二级轻气炮发射球形弹丸,对单层5A06铝合金板进行高速撞击实验研究,从而模拟空间碎片对航天器防护结构的高速撞击作用。实验得到了该铝合金板在不同的速度区间的损伤模式。结果表明,弹丸撞击速度一定时,弹坑深度和弹坑直径均与弹丸直径呈线性关系。当撞击速度在4km/s至5km/s时,靶板上的弹坑深度和弹坑直径随撞击速度的增大而减小,在其它速度范围内,弹坑深度和弹坑直径随撞击速度的增大而增大。通过固定弹丸直径,变化撞击速度,寻找临界撞击速度的方法获得了该铝合金板在弹丸撞击速度为1.0km/s至4.2km/s时的撞击极限曲线,并将实验弹坑深度与由Cour-Palais方程得到的预测弹坑深度进行了比较,实验弹坑深度大于预测值。     

Q235B钢动态本构及在LS-DYNA中的应用

采用万能材料试验机和分离式霍普金森拉杆（SHTB）装置,对我国钢结构建筑中最常用的Q235B钢进行准静态拉伸实验、高温拉伸实验和动态拉伸实验。基于实验数据对LS-DYNA常用的3种动态材料模型Cowper-Symonds本构模型、Johnson-Cook本构模型、Zerilli-Armstrong本构模型进行了拟合,通过Taylor杆实验对3种本构模型进行验证和对比分析。结果表明:Q235B钢具有较为明显的高温软化和应变率强化效应;Cowper-Symonds本构模型可以较好地适用于工程领域低速碰撞的模拟;Johnson-Cook本构模型可适用于较大应变率范围内的模拟;不推荐Zerilli-Armstrong本构模型在工程低速碰撞领域中使用。     

激光选区熔化增材制造GP1不锈钢动态拉伸力学响应与层裂破坏

采用选择性激光熔化增材制造技术，制备了GP1不锈钢单轴拉伸板条试样和层裂圆片试样，并对材料微观结构进行了表征。借助Zwick-HTM5020 高速拉伸试验机，并结合数字图像相关性全场应变测量技术，开展了增材制造GP1不锈钢材料的轴向拉伸力学性能实验研究，得到了不同应变率下材料的拉伸应力-应变曲线，结果显示:(1) GP1不锈钢流动应力具有比较显著的应变强化效应；(2)通过回收试样的电子背散射衍射表征，发现GP1不锈钢在拉伸变形过程中会发生奥氏体与马氏体之间的相变；(3) GP1不锈钢的屈服应力随着应变率呈幂指数增大，断裂应变在中低应变率下保持不变，但在高应变率下则显著减小。采用一级轻气炮实验装置和激光干涉粒子速度测量技术，开展了增材制造GP1不锈钢的层裂实验，发现GP1不锈钢的层裂强度随着飞片撞击速度增大而减小。单轴拉伸试样断口和层裂试样断口的显微分析结果表明:随着应变率增大，单轴拉伸断裂模式和断裂机理都发生了转变；层裂损伤易成核于激光熔池边界线的交汇处，断口韧窝形貌明显区别于单向拉伸断口。     

冲击拉伸实验装置的研制及其试验研究

材料动力学试验技术远比准静态力学中的复杂,为了模拟各种速率的冲击加载过程,试验装置设计就成为关键问题之一.特别是针对材料动态拉伸性能的测试,目前的冲击拉伸装置还没有统一标准,因此本文基于一维弹性应力波原理设计了一套双气室间接杆-杆型冲击拉伸试验装置.该装置采用了双气室对称布置的方式,通过气体转换器实现气路的转换,克服了现有气动式冲击拉伸设备结构复杂、密封要求严格的缺点.本文利用该装置对2A12T4铝合金试件的冲击拉伸性能进行了测试,并数值分析了应力波在杆系和试件中的传播效应.通过试验测试和数值分析论证了该冲击拉伸装置实验的可靠性和设计的合理性.     

The oblique-plate impact experiment

An experimental method is presented for the study of one-dimensional plane waves corresponding to combined pressure and shear. The experiment involves the impact of two skewed flat plates. A projectile plate is accelerated using a gas gun and made to impact a target plate in a vacuum chamber. The projectile and target plates are parallel, but inclined relative to the axis of the gun so that the particle velocity in the target has components both normal and parallel to the plane of impact. The particle velocity at the target rear (free) surface is recorded as a function of time. The normal velocity component is monitored using a laser velocity interferometer; the transverse motion is monitored using a shadow technique. The measured wave profiles can be compared to theoretical predictions based on one-dimensional-wave theory.     

Rigorous model-based uncertainty quantification with application to terminal ballistics—Part II. Systems with uncontrollable inputs and large scatter

This Part II of this series is concerned with establishing the feasibility of an extended data-on-demand (XDoD) uncertainty quantification (UQ) protocol based on concentration-of-measure inequalities and martingale theory. Specific aims are to establish the feasibility of the protocol and its basic properties, including the tightness of the predictions afforded by the protocol. The assessment is based on an application to terminal ballistics and a specific system configuration consisting of 6061-T6 aluminum plates struck by spherical 440c stainless steel projectiles at ballistic impact speeds in the range of 2.4–2.8 km/s. The system's inputs are the plate thickness, plate obliquity and impact velocity. The perforation area is chosen as the sole performance measure of the system. The objective of the UQ analysis is to certify the lethality of the projectile, i.e., that the projectile perforates the plate with high probability over a prespecified range of impact velocities, plate thicknesses and plate obliquities. All tests were conducted at Caltech's Small Particle Hypervelocity Range (SPHIR), which houses a two-stage gas gun. A feature of this facility is that the impact velocity, while amenable to precise measurement, cannot be controlled precisely but varies randomly according to a known probability density function. In addition, due to a competition between petalling and plugging mechanisms for the material system under consideration, the measured perforation area exhibits considerable scatter. The analysis establishes the feasibility of the XDoD UQ protocol as a rigorous yet practical approach for model-based certification of complex systems characterized by uncontrollable inputs and noisy experimental data.