玻璃样品表面对失效波萌生的影响

实验首次发现经过酸(5%HCl)处理的玻璃样品表面以及飞片表面粗糙度的变化均对失效波(failure wave)形成的载荷阈值有明显影响.这说明失效波的形成机制与玻璃样品表面固有微裂纹、碰撞瞬间由于样品表面与其内部力学性质差异导致的微裂纹形核、长大等因素有直接关系,从而对进一步研究失效波的萌生机制和建立相关理论模型提供重要的支持.     

用高速阴影技术研究K9玻璃中的失效波

用高速阴影摄影技术研究了爆轰加载下K9玻璃样品中波的传播和压缩区内损伤破坏的物理图象和规律。实验中观测到冲击波阵面后有一个移动速度为 2 .1～ 2 .2mm/ s的黑色阴影区边界 ,即失效波 (Fail urewave) ;实验发现只有当冲击载荷接近材料的HEL时 ,在冲击波和失效波之间的区域才有少量的微裂纹成核和长大 ,而在冲击载荷较低时却没有观察到 ;同时实验中观测到失效波萌生于被撞击面 ,并在两块玻璃的交界面上观测到失效波的再生。这些结果表明失效波的产生基本与冲击相变无关 ,主要与玻璃样品表面的初始损伤有关 ,换言之 ,失效波是玻璃样品表面微裂纹在冲击波作用下失稳扩展造成的。     

石英玻璃杆Taylor撞击实验的数值模拟

采用离散元方法模拟石英玻璃杆Taylor撞击问题,再现了其破坏过程:在撞击端,杆以压缩失效波的形式破坏;在自由端,出现了密集的拉伸层裂破坏. 分析表明:层裂是失效波阵面应力快速下降引起的追赶卸载波,与弹性压缩前驱波在自由端反射引起的迎面卸载波相互作用的结果;随着撞击速度的增大,撞击端失效波造成的压缩破坏区域损伤程度增大,反射端层裂破坏损伤区域减小. 进一步对失效波阵面的结构变化及其波速问题进行了研究,发现失效区域随着扩张变成一段裂纹逐渐由密到稀的区段,将此区段分为高损伤区和低损伤区,研究发现由稀疏微裂纹组成的低损伤区的前端面传播速度和弹性前驱波速基本相同,为固定值;而高损伤区前端面的裂纹密度随着传播距离的增加变稀,直至过渡为低损伤区,其传播具有显著的速度衰减、端面模糊直至停止的过程. 高损伤前端面的平均速度随着撞击速度的增大而增大,并逐渐趋近于弹性波速. 最后与已有实验做了对比,发现实验中高速摄影观察到的玻璃中"失效波"阵面实际上是高损伤前端面,而稀疏的低损伤微裂纹很难捕捉.      

Mo-ZrC梯度金属陶瓷的冲击响应行为

分层梯度材料特定的梯度变化能有效增强材料性能。为研究梯度结构、冲击方向对分层梯度材料冲击响应的影响,利用分离式霍普金森压杆结合高速摄影技术对Mo-ZrC分层梯度金属陶瓷进行了动态压缩实验,基于数字图像相关技术讨论了梯度结构、冲击方向对金属陶瓷材料破坏模式的影响,利用Mori-Tanaka理论计算得到金属陶瓷等效性质,结合应力波理论研究波在分层梯度复合材料中的传播规律。结果表明：(1)相同加载条件下,梯度结构对材料的强度、韧性和破坏产物的完整性具有重要影响,在冲击过程中,样品响应可以分为压紧阶段、裂纹成核发展阶段和贯穿阶段,对于不同梯度结构和冲击方向,样品在加载过程中呈现出不同的破坏时序和失效模式;(2)利用数字图像相关方法跟踪分层梯度陶瓷的局部变形发展,分析发现局部增量达到临界状态后,局部变形发展转化为微裂纹的形成和累积,最终导致整体性破碎失效;(3)通过分层梯度材料一维应力波传播理论推导得到,改变冲击梯度方向对应力波透反射系数存在一定影响,不同梯度结构设计对改变冲击梯度方向敏感性不同,且存在极值情况。     

冲击压缩下玻璃样品后自由表面速度的过冲现象

实验发现当飞片碰撞玻璃样品产生的冲击载荷超过一定值后 ,玻璃样品后自由表面速度时程曲线上有过冲现象 ,即速度上升到最大值后 ,立即开始下降 ,其时间的开始部分类似于三角波。通过高速摄影和VISAR等测试手段对这一现象进行了较系统的研究 ,发现其与玻璃样品后自由表面附近的破碎有关 ,建立了描述这一破坏现象的损伤演化方程 ,并进行了数值模拟。计算结果和实验结果吻合 ,表明对这个现象的解释是合理的。     

压剪联合冲击下K9玻璃中的失效波

对K9玻璃进行了冲击速度为150~400 m/s,倾斜角为10、15的纵剖试样斜撞击实验。结果表明，在加载剪切横波(S+)和卸载纵波(P-)之间有波速超过了纵波波速的波阵面存在，此波的存在对卸载纵波和卸载横波的幅值有一定的影响。由于失效波的产生与材料的表面性质密切相关，为消除纵剖试样中间界面的影响，模拟VISAR的实验条件，进行了冲击速度为70~300 m/s、倾斜角为10的横剖试样斜撞击实验。可以确定在此冲击范围失效波的波速在0.98~1.4 km/s，产生失效波的临界状态为:压应力0.86~1.01 GPa，对应剪应力0.053~0.071 GPa。表明剪应力的存在极大降低了失效波产生的阈值。在此基础上初步分析了撞击面的动摩擦因数和相对滑移速度。     

爆炸应力波对高速扩展裂纹影响的动态光弹性试验研究

本文用动态光弹性模拟试验和分析方法,观察和分析研究了爆炸应力波对高速扩展的运动裂纹扩展方向和扩展速度的影响过程和机理。结果表明:当[裂纹扩展方向与入射膨胀波(P波)波阵面法线的夹角]=0时,P波的作用不会改变裂纹的扩展方向,但使其扩展速度发生变化,入射剪切波(S波)能使裂纹改变扩展方向;当0/2时,P波和S波都能改变裂纹扩展方向,而且,P波使裂纹扩展速度降低,S波使裂纹扩展速度提高。这一试验研究对于理解爆炸、冲击载荷与扩展裂纹相互作用的机理,对于理解控制、光面、预裂爆破中相邻炮孔之间后爆炮孔产生的应力波与先爆炮孔壁上产生的裂纹的相互作用具有理论和实际意义。     

石英玻璃杆Taylor撞击实验的数值模拟

采用离散元方法模拟石英玻璃杆Taylor撞击问题,再现了其破坏过程:在撞击端,杆以压缩失效波的形式破坏;在自由端,出现了密集的拉伸层裂破坏.分析表明:层裂是失效波阵面应力快速下降引起的追赶卸载波,与弹性压缩前驱波在自由端反射引起的迎面卸载波相互作用的结果;随着撞击速度的增大,撞击端失效波造成的压缩破坏区域损伤程度增大,反射端层裂破坏损伤区域减小.进一步对失效波阵面的结构变化及其波速问题进行了研究,发现失效区域随着扩张变成一段裂纹逐渐由密到稀的区段,将此区段分为高损伤区和低损伤区,研究发现由稀疏微裂纹组成的低损伤区的前端面传播速度和弹性前驱波速基本相同,为固定值;而高损伤区前端面的裂纹密度随着传播距离的增加变稀,直至过渡为低损伤区,其传播具有显著的速度衰减、端面模糊直至停止的过程.高损伤前端面的平均速度随着撞击速度的增大而增大,并逐渐趋近于弹性波速.最后与已有实验做了对比,发现实验中高速摄影观察到的玻璃中"失效波"阵面实际上是高损伤前端面,而稀疏的低损伤微裂纹很难捕捉.     

含单排周期微裂纹平板结构中的弹性波传播

受损伤固体中含有的微裂纹或微孔洞往往具有周期性，对含周期性缺陷结构中的弹性波分析是力学研究中的重要课题，它直接关系到结构的强度和使用寿命。目前对损伤固体中弹性波散射与透射研究结果主要是弹性动力学平面问题。1995年。Scarpetta和Sumbatyan采用解析法研究了平面波在双周期裂纹弹性介质中的传播问题。并推出显式分析结果。本文基于弹性动力学理论，分析研究了含有单排横向周期裂纹的平板中弯曲波的反射与透射问题。给出了含单排裂纹时反射波与透射波系数的数值结果。对于多排裂纹情况，可采用具有退化核第一类Fredholm积分方程方法分析求解，在求解中给出相应的无量纲数，例如无量纲波数、裂纹尺寸比等。本文分析结果可望能在工程振动控制中应用。     

爆炸荷载作用下两平行裂纹对扩展中裂纹的影响规律

用实验和数值模拟方法，研究在爆炸载荷下岩体内部一对平行裂纹对扩展主裂纹的影响规律。实验中，采用带有中心装药孔及预制裂纹的砂岩圆盘试件，利用由示波器、超动态应变仪及裂纹扩展计所组成的测试系统，监测主裂纹扩展速度和扩展距离；数值模拟中，采用了AUTODYN软件进行，模拟了主裂纹及两平行裂纹的扩展规律，对岩石材料，采用线性状态方程及最大拉应力失效准则，并在两平行裂纹间设置相应的观测点记录应力曲线。通过实验与数值模拟分析，得到:爆炸载荷下，紧随冲击波后的稀疏波经过两平行裂纹面反射后变成压缩波，并在两平行裂纹间产生垂直于主裂纹扩展方向的压应力，对裂纹的扩展有压制、止裂作用；而且，这种压应力的大小与两平行裂纹的间距有关，进而导致了不同的止裂效果，影响裂纹的扩展速度及最终扩展长度。     

PROGRESSIVE FRACTURE MODELING OF THE FAILURE WAVE IN IMPACTED GLASS

The failure wave has been observed propagating in glass under impact loading since 1991. It is a continuous fracture zone which may be associated with the damage accumulation process during the propagation of shock waves. A progressive fracture model was proposed to describe the failure wave formation and propagation in shocked glass considering its heterogeneous meso-structures. The original and nucleated microcracks will expand along the pores and other defects with concomitant dilation when shock loading is below the Hugoniot Elastic Limit. The governing equation of the failure wave is characterized by inelastic bulk strain with material damage and fracture. And the inelastic bulk strain consists of dilatant strain from nucleation and expansion of microcracks and condensed strain from the collapse of the original pores. Numerical simulation of the free surface velocity was performed and found in good agreement with planar impact experiments on K9 glass at China Academy of Engineering Physics. And the longitudinal, lateral and shear stress histories upon the arrival of the failure wave were predicted, which present the diminished shear strength and lost spall strength in the failed layer.     

A DAMAGE ACCUMULATING MODELING OF FAILURE WAVES IN GLASS UNDER HIGH VELOCITY IMPACT

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅｆａｉｌｕｒｅｗａｖｅｉｓａｓｐｅｃｉｆｉｃｆａｉｌｕｒｅｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｏｃｃｕｒｒｉｎｇｉｎｇｌａｓｓｍｅｄｉａｕｎｄｅｒｃｒｉｔｉｃａｌｉｍｐａｃｔｌｏａｄｉｎｇｗｉｔｈｈｉｇｈｓｔｒａｉｎｒａｔｅ (ｖ≥ 1 2ｋｍ/ｓ, ε≥ 1 0 5 /ｓ) .ＩｔｗａｓｆｉｒｓｔｏｂｓｅｒｖｅｄｉｎＫ1 9ｇｌａｓｓｐｌａｎａｒｉｍｐａｃｔｔｅｓｔｓｉｎ 1 991ｂｙＲａｓｏｒｅｎｏｖ[1]ｔｈａｔｔｈｅｒｅｅｘｉｓｔｓａｆａｉｌｕｒｅｌａｙｅｒｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇａｔａｌｏｗｅｒｓｐｅ…     

非线性应力波传播理论的发展及应用

应力波传播理论是分析结构和材料在爆炸/冲击载荷作用下的响应及破坏特性的基础,在国防和民用工程上有重大价值。本文对作者们近半个世纪来在非线性应力波传播理论的发展及其工程应用方面所开展的主要研究作一回顾和讨论,包括：几类非线性应力波相互作用及失效,非线性粘弹性波传播理论及应用,动态破坏和应力波相互作用,以及应力波理论在防护工程中的应用等。     

非周期波浪与直墙作用的非线性数值研究

基于时域高阶边界元方法,建立了完全非线性二维数值波浪水槽,对非周期波浪与直墙的相互作用问题进行了模拟和研究.自由表面满足完全非线性自由水面运动学和动力学边界条件,采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪瞬时自由面流体质点,采用四阶Runge-Kutta法对下一时间步的波面和自由面速度势进行更新.采用加速度式法求解直墙表面速度势的时间导数,对瞬时物体湿表面上的水动力压强积分,得到作用在物体上的瞬时波浪力.首先,将全非线性与Serre-Green-Naghdi(SGN)模型的结果进行了对比分析,发现对于大幅值双入射波问题,仅满足弱色散关系的SGN模型大大低估了最大波浪爬高;其次,研究了双入射波与直墙的非线性作用问题,发现线性预报对波浪最大爬高有较大低估,而波浪的非线性成分不只导致了自由面爬高的异常增大,也引起了局部自由面的高频振荡,该物理过程中,直墙所受的波浪载荷,也展示出了与波浪爬高相似的非线性特性;最后,对波浪爬升和波浪力的时间历程进行了频谱分析,发现入射主频波的部分能量传递给了更高频的波浪成分,反映出该问题具有典型的非线性特性.     

近水面水下爆炸的数值研究

近水面水下爆炸后形成的冲击波很快与空气一水的自由界面相互作用，产生折射激波和反射稀疏波，这些波在形成初期是规则的，但很快转变为不规则波。伴随冲击波与自由界面的相互作用，水面要上升直至被炸开。这些复杂的物理现象对数值计算提出了很高的要求。本文采用近期发展起来的位标函数方法以及高精度的ＮＮＤ格式来数值模拟冲击波、自由界面的运动及其相互作用，获得了成功，近水面水下爆炸时的一系列复杂的物理现象均得到了合理的再现。与现有的跟踪自由界面运动的方法相比较，本文方法更简洁，更实用。     

一种计算交通波传播速度的方法

基于交通心理学和车辆跟驰的物理机制推导出一种交通波传播速度公式, 可以用于计算各种车流状态下的波速. 应用交通波传播速度公式计算了平面交叉口红灯变为绿灯时的起动波波速, 通过与实测数据比较, 证实了该计算方法的可行性.在此基础上推导了交通波速的特性, 以事故波波速特性为例进行了详细讨论, 所得结果符合交通实际.