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。     

45钢层裂研究

对４５钢进行了层裂实验，对软回收试件进行了显微金相观测，观察了材料中微损伤的形核、增和聚合机制。将文献［３］中的动态损伤模型编入一维Ｌａｇｒａｎｇｅ有限差分动力学程序，对层裂实验进行了数值模拟，计算结果与实验吻合较好。     

延性材料动态断裂的实验研究和数值分析

本文对延性材料纯铜和ＬＹ１２铝合金进行了层裂实验，对软回收试件进行了仔细的定量和显微金相观测，观察到了两种材料中不同微损伤的形核、增长和聚合机制，为理论分析提供了真实的实验结果。将文〔４〕提出的延性动态损伤模型编入了一维Ｌａｇｒａｎｇｅ有限差分动力学程序，对两组层裂实验进行了数值模拟，计算结果与实验吻合较好。     

斜波压缩下锡的相变和层裂行为

获取不同热力学路径下锡的动态响应实验数据,是深入研究其相变和损伤物理过程的基础.利用小型磁驱装置CQ-4完成了金属锡的斜波加载实验,获取了锡含有相变和层裂损伤物理信息的实验数据.实验结果显示,在加载段锡依次经历了弹塑性转变和β-γ相变两种物理过程,屈服强度约0.194 GPa,相变压力随着锡厚度的增加从7.54 GPa减小到7.14 GPa.在卸载段出现了明显的层裂损伤,层裂强度约1.1 GPa,与相同加载压力下冲击实验结果有巨大差异,层裂片厚度约0.38 mm.结合由锡的多相Helmholtz自由能计算的多相状态方程、Hayes相变动力学方程和损伤度理论,对斜波压缩实验过程进行一维流体动力学数值模拟,计算结果可以很好描述锡的弹塑性转变、相变和层裂三个物理过程.     

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。     

纯铜一维动态损伤研究

在Ｊｏｈｎｓｏｎ方法的基础上，本文采用细观方法提出了一个延性材料动态损伤模型。模型中考虑了材料的硬化，应变率效应和惯性效应。同时进行了纯铜一维层裂实验，对软回收试件进行了显微金相和定量金相分析，观察到了一些有意义的力学现象，利用一维Ｌａｇｒａｎｇｅ有限差分动力学程序。采用本文提出的损伤模型对纯铜的层裂过程进行了数值模拟，得到了比较满意的结果。     

三角形波致LY12铝层裂的平板冲击实验研究

采用基于冲击波衰减动力学的实验技术,使平板碰撞层裂实验的LY12铝样品中,产生三角形冲击脉冲.采用VISAR技术记录样品自由表面历史,获得样品中发生层裂的信号.在经过高应力三角形波实验的软回收样品上,发现了两个层裂面.就样品中呈现三角形脉冲的平板冲击实验而言,样品中可以存在一些高拉伸应力区域并发生多次层裂.将该文提出的基于空穴聚集的层裂模型用于数值模拟这些特定条件的平板冲击试验,并将计算的样品自由面速度历史及样品中的损伤分布与实测的VISAR数据及软回收的样品层裂面等作了比较.研究表明,人为粘性、状态方程、本构方程以及层裂模型对于数值模拟三角形冲击脉冲引起的层裂有严重影响.     

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。     

无氧铜层裂的实验与数值研究

利用一级气体炮对国产的无氧铜（OFHC）进行了平板撞击致层裂实验,3 mm厚的OFHC飞片撞击6 mm厚的OFHC靶,采用锰铜应力计记录试样/有机玻璃（PMMA）界面附近的应力历史,获得试样发生层裂的信息。软回收试样,观测回收试样的层裂片。采用基于空穴聚集的层裂模型,数值模拟这些平板撞击致层裂实验。数值模拟的应力剖面以及试样层裂片厚度与实验结果基本一致。此外,对于国外相关的OFHC层裂实验,采用基于空穴聚集的层裂模型也作了相应的数值模拟,并进行了比较。     

纯铜—维动态损伤研究

在Johnson方法的基础上,本文采用细观方法提出了一个延性材料动态损伤模型.模型中考虑了材料的硬化、应变率效应和惯性效应.同时进行了纯铜一维层裂实验,对软回收试件进行了显微金相和定量金相分析,观察到了一些有意义的力学现象.利用一维Lagrange 有限差分动力学程序,采用本文提出的损伤模型对纯铜的层裂过程进行了数值模拟,得到了比较满意的结果.     

混凝土材料的层裂特性

利用Hopkinson压杆作为实验设备,通过试件后面吸收杆上应变波形研究了混凝土材料的层裂特性。不同强度混凝土在不同加载率下的实验结果表明,混凝土层裂强度与其压缩强度以及加载速率有关,给出了层裂强度和压缩强度以及加载率之间关系的经验公式,并指出不同加载速度下混凝土裂纹扩展方式不同是层裂强度率效应的主要原因。加载压缩波损伤的影响、重复加载实验以及多次层裂的顺序都表明,损伤对混凝土的层裂过程有重要影响。     

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。     

延性材料动态损伤演化模型研究

从微损伤系统的统计描述出发，应用Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ理论的物理思想，考虑了微孔洞间的相互作用，建立了延性材料动态损伤的统计演化模型。结果能够描述材料在外载作用下的损伤弱化效应。还分析了材料变形中的两种不同的耗散机制，考虑了含损伤的本构关系。将上述模型用于几种材料的层裂过程数值模拟，并与实验结果作了初步比较。     

Numerical analysis of the spallation of steel target under explosive loading

A numerical analysis of the propagation of stress waves and the allied scabbing phenomena in a steel plate under explosive attack is made, by using a model of one-dimensional flow. The results are compared with our experimental results which were carried out several years ago. It is found that, in case the hydrodynamic-elastoplastic model for steel plate and the cumulative damage spall criterion are used, the calculated thickness of the major spall is in reasonable agreement with that obtained in the experiments. An approximate formula for the thickness of the major spall is presented and the mica-splitting phenomenon about the minor spalls observed in the experiments is satisfactorily explained.     

含氦泡金属铝层裂响应的数值分析

因自辐照效应的影响,一些材料内部会产生大量的氦泡,关注这些氦泡对材料力学性能的影响是目前损伤破坏研究中的重要问题之一。结合相关文献的实验结果,采用耦合材料初始损伤、孔洞尺寸及惯性影响的损伤模型,对该问题进行了数值分析。结果显示:氦泡的内压及材料变形中温度的变化对损伤发展的影响很小;材料的初始损伤越大,材料内部应力减小得越快,损伤增长得越慢;因惯性的影响,初始氦泡越大,损伤增长相对较慢。因此,分析含氦泡材料的层裂损伤问题需要重点关注材料初始氦泡大小、初始损伤以及损伤演化过程中惯性的影响。     

A new model for spall-rolling-element interaction

Evaluation of the spall size of a radially loaded rolling-element bearing is required for the assessment of the bearing damage severity and estimation of its remaining useful life. A new multi-body, nonlinear dynamic model of the interaction between the rolling-element and a spalled outer race is presented. The study focuses on the physics of rolling-element contact in a broader range of spall sizes than has been investigated to date, with intermittent contact between rolling-element and the outer race, which is a relevant defect size for diagnostics and prognosticsquery. The analysis is performed in several time intervals according to periods of rolling-element/race contact and periods when the rolling-element is not connected with the outer race. An explicit expression of the spall size as function of the time-to-impact has been developed by considering radial load, shaft speed, and gravity. The expression of the spall size was used in a sensitivity study of the effect of parameters such as geometry and radial load. The results obtained from the new model are in good agreement with a well-established general bearing model. The acceleration of the outer ring during the rolling-element/spall interaction with intermittent rolling-element race connection is a novel contribution, which allows verification of the model from direct observations using vibration sensors mounted on the structure     

A study on one-dimensional dynamic damage in pure copper

Based on meso-damage mechanics, a model of dynamic ductile damage under tensile stress is developed, in which work-hardening behavior, rate-dependent contribution and inertial effects are taken into account. Plate-impact test on pure copper under one-dimensional plane strain condition is conducted. Some significant mechanical phenomena are observed by means of microscopic observations of the spalled specimen. The mathematical model presented in this paper is incorporated in a hydrodynamic one-dimensional finite-difference computer code, to simulate the process of spallation in pure copper sample. Comparison of numerical calculations and experimental results shows that the model can describe spall damage successfully.     

延性金属层裂自由面速度曲线特征多尺度模拟研究

以延性金属钽为研究对象,对钽在平板撞击下的层裂行为进行了多尺度下的数值模拟研究,从微观视角对自由面速度曲线上的典型特征进行了新的解读。在宏观尺度,对比分析了光滑粒子流体动力学法（smootfied particle hydrodynamics, SPH）与Lagrange网格法以及几种本构模型的模拟结果及其适用性。通过与实验数据的对比表明,Steinberg-Cochran-Guinan本构模型在层裂模拟中与实验数据吻合较好,通过改变加载条件获得了不同应变率下的自由面速度曲线,分析了不同应变率下的自由面速度曲线中的典型特征。在微观尺度,采用分子动力学方法获得层裂区域内损伤演化情况,揭示了宏观尺度自由面速度曲线典型特征所蕴含的物理内涵。分析表明,层裂表现为材料内部微孔洞形核、长大和聚集的损伤演化过程,自由面速度曲线上的典型特征与层裂区域的损伤演化过程存在密切关联。Pullback信号是层裂区域内微孔洞形核的宏观表征;自由面速度曲线的下降幅值在一定程度上反映了微孔洞的形核条件,由此计算得到的层裂强度实际上是微孔洞的形核强度。此外,Pullback信号后的速度回跳速率反映了微损伤演化的速率。