PMMA膨胀环动态拉伸碎裂实验研究

在强动载作用下, 脆性材料的碎裂问题是一个重要的研究课题, 而脆性材料在冲击拉伸载荷下的力学行为的实验研究相对较匮乏. 提出了一种动态拉伸断(碎)裂的液压膨胀环实验技术, 可用于准脆性/脆性材料的动态拉伸. 利用该技术对有机玻璃(PMMA)圆环试件进行了不同膨胀速度下的动态碎裂实验研究. 从回收碎片的断口形貌和碎片内部残余裂纹观察可知试件的破碎由环向拉伸应力造成, 碎片断口处发出的稀疏波会将周围的拉伸应力卸载, 从而抑制其他裂纹的进一步发展. 利用超高速相机记录了试件的膨胀碎裂过程, 利用DISAR激光速度干涉仪获得了试件外表面粒子的径向膨胀速度历史, 通过试件上的应变片获得了试件的应变历史和断裂应变. 实验结果表明: 在拉伸应变率150\mathrm{~}500s^{-1}范围, 材料的动态断裂应变低于准静态加载下的断裂应变, 体现出“动脆”现象; 随着加载应变率的提高, PMMA 材料的碎片尺寸减小; 无量纲化的PMMA圆环的平均碎片尺寸介于韧性碎裂模型和脆性碎裂模型的预测数值之间, 反映出材料的准脆性特性.      

脆性膨胀环动态拉伸碎裂实验研究

发展了一种液压冲击脆性膨胀环实验技术,通过可升降的凸台对脆性膨胀环进行精确的对心定位安置,避免偏心膨胀带来的弯曲断裂,通过膨胀环试件上的半导体应变片测量其在拉伸碎裂过程中的应变时程曲线;对典型脆性材料碳化硅（SiC）陶瓷进行了膨胀拉伸碎裂实验研究,获得了其动态拉伸断裂强度和碎片平均尺寸及分布。实验结果表明:(1) 液压冲击膨胀环实验能较好地实现脆性膨胀环的拉伸碎裂,在应变率101 s?1量级下,SiC陶瓷拉伸断裂应变为3.7×10?4～7.4×10?4,平均拉伸断裂应力为206 MPa;(2) SiC陶瓷无量纲化平均碎片尺寸落于多种脆性碎裂预测模型的合理区间内,随着加载应变率的提高,SiC陶瓷的平均碎片尺寸减小;(3) SiC陶瓷拉伸碎裂的碎片分布基本符合Rayleigh分布,但是在细小尺寸上和大尺寸碎片分布上存在一定偏差。     

一种基于SHPB的冲击膨胀环实验技术

设计了一种基于分离式Hopkinson压杆(SHPB)的冲击膨胀环实验装置,实验装置包括一个液压腔,一侧为驱动活塞,另一侧为圆环试件封闭。对活塞施加轴向冲击,利用液体体积近似不可压缩的特性,通过液压腔截面积的大比例缩小,将较低速度的对活塞冲击转化为圆环试件沿径向的高速膨胀,驱动试件发生拉伸变形直至断(碎)裂。使用这种冲击膨胀装置,获得了LY12铝环在不同撞击速度下碎裂过程的初步结果。实验结果显示,随着撞击速度增大,圆环试件碎裂产生的碎片的尺度减小,试件的表观断裂应变增加。这为研究材料的动态拉伸碎裂问题提供了一种加载方式。     

液压膨胀环动态拉伸碎裂的有限元模拟

液压冲击膨胀环实验平台能有效地实现韧性金属圆环在高应变率拉伸载荷作用下的动态断（碎）裂。本文采用流固耦合的有限元数值计算方法，模拟了实验过程中金属圆环在高压液体作用下的运动、变形和断裂现象。分析了装置和试件的接触应力对试件碎裂过程的影响并讨论了如何实现液压对试件的有效加载。计算结果表明，实验中的初始接触应力和液体的较长时间加载对试件的碎裂过程没有显著影响；在合理的加载条件下，液压膨胀环实验技术是研究固体动态拉伸碎裂的有效手段。     

石英玻璃圆环高速膨胀碎裂过程的离散元模拟

采用离散元算法模拟了石英玻璃圆环受到外加动态载荷时的力学行为. 首先基于flat-jointed粘结模型,通过标准的单轴拉压、三点弯曲等数值实验来标定了石英玻璃的微观参数. 在此模型基础上,数值模拟再现了石英玻璃圆环在不同应变率下的膨胀碎裂过程. 为定量分析数值模拟结果,需要准确确定圆环的碎裂发生时刻. 模拟发现:伴随着石英玻璃圆环的断裂,圆环外表面粒子径向膨胀速度的时程曲线会发生突然升高然后下降的跳动;详细分析表明,这种跳动源自周向的脆性断裂诱发的卸载波(周向拉伸应力急剧下降)以及伴随而来的泊松膨胀,这种径向速度跳动现象为实验中检测脆性断裂发生时刻提供了可能. 进一步的数值研究表明:(1)石英玻璃圆环的断裂应变随着应变率的提高而增大,与韧性金属材料的膨胀环实验结果一致;(2)石英玻璃圆环的碎片平均质量随着应变率的增大而减小;(3)数值计算获得的碎片平均尺寸与已有的理论和实验结果比较吻合. 利用液压膨胀环实验装置对石英玻璃圆环进行了验证性实验,回收得到的碎片形貌及碎片个数与数值模拟的结果基本一致.      

石英玻璃圆环高速膨胀碎裂过程的离散元模拟

采用离散元算法模拟了石英玻璃圆环受到外加动态载荷时的力学行为.首先基于flat-jointed粘结模型,通过标准的单轴拉压、三点弯曲等数值实验来标定了石英玻璃的微观参数.在此模型基础上,数值模拟再现了石英玻璃圆环在不同应变率下的膨胀碎裂过程.为定量分析数值模拟结果,需要准确确定圆环的碎裂发生时刻.模拟发现:伴随着石英玻璃圆环的断裂,圆环外表面粒子径向膨胀速度的时程曲线会发生突然升高然后下降的跳动;详细分析表明,这种跳动源自周向的脆性断裂诱发的卸载波(周向拉伸应力急剧下降)以及伴随而来的泊松膨胀,这种径向速度跳动现象为实验中检测脆性断裂发生时刻提供了可能.进一步的数值研究表明:(1)石英玻璃圆环的断裂应变随着应变率的提高而增大,与韧性金属材料的膨胀环实验结果一致;(2)石英玻璃圆环的碎片平均质量随着应变率的增大而减小;(3)数值计算获得的碎片平均尺寸与已有的理论和实验结果比较吻合.利用液压膨胀环实验装置对石英玻璃圆环进行了验证性实验,回收得到的碎片形貌及碎片个数与数值模拟的结果基本一致.     

脆性固体碎裂过程中的最快卸载特性

脆性固体在高应变率拉伸过程中常破碎为多块碎片.论文通过一个一维理论模型,研究动态脆性碎裂过程中固体内部载荷卸载规律,以及碎片尺度的计算方法.假设一维固体中裂纹等间距分布、同时起裂,研究均匀应变率拉伸作用下裂纹阵列的扩张过程.采用线弹性波动方程组描述未断裂固体的动力学关系,采用粘滞断裂模型(cohesive fracture model)描述裂纹的扩张行为,形成完整的初边值问题.采用沿特征线的有限差分计算格式求解控制方程组,得到固体在碎裂过程不同时刻下单位裂纹体内部的应力分布曲线,以及单位裂纹体平均应力随时间的变化规律,确定单位裂纹体达到完全断裂所需要的时间.在给定应变率下,分析不同裂纹间距下的碎裂卸载时间,以及使单位裂纹体以最快速度完全卸载所对应的最佳裂纹间距,并以此间距估算脆性固体在自然动态碎裂过程中的平均碎片尺度.进一步研究了具有不同粘滞性断裂特性的脆性固体的碎片尺度计算数值的差异.     

Y态TU1环的动态脆性碎裂特性

针对膨胀环的碎裂问题,以Mott碎裂理论和Grady能量平衡理论为基础,利用裂纹张开位移碎裂模型（crack opening displacement model,COD）描述脆性无氧铜环的碎裂特性,并推导了碎片尺寸和数目表达式。利用电磁膨胀环加载技术,完成了不同应变率的脆性无氧铜（TU1）环碎裂实验,实验结果与理论计算结果符合较好,可为脆性金属环膨胀碎裂特性描述提供参考。     

脆性固体中内聚断裂点阵列的扩张行为及间隔影响

建立一个一维模型, 分析脆性材料中多个等间距虚拟断裂点在均匀应变率拉伸作用下的扩张断裂过程. 采用线弹性波动方程组描述材料内部动力学关系, 采用线性内聚力断裂模型(linear cohesive fracture model)描述虚拟断裂点的扩张行为, 根据初始均匀拉伸条件和虚拟裂纹等间距假设给出定解条件, 形成一个初边值问题. 采用Laplace变换方法求解控制方程组, 得到虚拟断裂点扩张过程中内聚应力随时间变化曲线, 以及发生完全断裂的临界时间和单位裂纹体(碎片)的临界膨胀位移. 在此基础上分析应变率和裂纹间距对碎裂发生时间及单元裂纹体临界膨胀位移的影响. 在假设脆性材料在自然碎裂过程中单元裂纹体临界膨胀位移最小的基础上,进一步研究应变率对碎片尺度的影响.      

基于数字图像相关性方法的脆性材料拉氏反分析实验技术

利用分离式Hopkinson压杆作为加载系统,借助超高速数字图像相关性分析方法,发展了长杆试件拉氏反分析实验技术,并用于研究脆性材料在小变形条件下的动态本构特性。通过超高速相机实时拍摄冲击加载下长杆试件变形的散斑图像,再对散斑图像进行数字图像相关性（digital image correlation,DIC）分析,获得长杆试件表面速度场和应变场。随后,以脆性材料PMMA（polymethyl methacrylate）为例,从DIC分析得到的速度场中提取出不同拉格朗日位置上质点速度时程曲线,构建路径线连接整个速度场,再结合零初始条件,数值求解得到了试件中的应力时程曲线,消去时间参数后,获得了脆性材料PMMA的动态应力-应变曲线,并与Hopkinson压杆实验和准静态压缩实验的结果进行了对比,揭示了PMMA材料在小应变条件下的黏弹性本构响应特征。     

预置圆孔膨胀环动态断裂行为研究

利用中心线起爆膨胀环加载技术,采用分幅摄影技术观测了20号钢圆环在准一维拉伸作用下,预置圆孔缺陷临近区域的动态断裂特征。获得了高应变率下圆孔的变形、裂纹的萌生及扩展过程。并采用LS-DYNA3D有限元程序分步建模,将驱动器对膨胀环的冲击压力简化为直接作用于圆环内壁的压力历史,以此模拟了整个断裂过程。通过实验图像,得到裂纹尖端的位移以及速度随时间变化的曲线。结果表明,宏观可见裂纹出现于应力集中最大处,裂纹扩展速度随时间振荡,数值模拟与实验结果吻合较好。     

PMMA材料的动态压缩力学特性及应变率相关本构模型研究

利用INSTRON万能试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB)对PMMA试件在较宽应变率范围内进行了单轴压缩实验,研究加载应变率对PMMA材料力学性能的影响.利用扫描电子显微镜对回收的试样进行了显微观察,重点分析不同加载应变率下PMMA的微观损伤破坏模式.结果表明:随着应变率的增大,PMMA的流动应力显著地增加,且冲击加载条件下,峰值应力的应变率敏感性明显高于准静态;在准静态加载条件下,PMMA试样呈现明显的延性破坏特征,在动态加载条件下则表现为脆性破坏.最后,对PMMA材料的ZWT粘弹性本构模型参数进行了拟合,拟合结果与实验结果吻合较好,表明该本构模型能够较好地描述较宽应变率范围内PMMA材料的应力应变关系.     

径向膨胀Al2O3陶瓷环动态拉伸破碎的实验研究

利用基于Hopkinson压杆技术设计的冲击膨胀环实验装置,开展了不同撞击速度下Al2O3陶瓷圆环的冲击拉伸和破碎实验研究.实验结果显示:随撞击速度增大,陶瓷环破碎产生的碎片数目增加,断口分析表明绝大多数的断口都是沿径向断裂,说明陶瓷环的破碎由膨胀环的径向拉伸应力产生;利用实测入射杆和透射杆的应力波形,获得陶瓷环发生破碎的时间和载荷信息,在一定的近似假定下,初步估算陶瓷环的表观动态拉伸强度介于160 Mpa和250 Mpa之间,比静态强度130 Mpa显著提高.     

液压膨胀环恒应变率加载技术

膨胀环实验技术主要包括爆炸膨胀环实验技术和电磁膨胀环实验技术,实验过程中膨胀环的加载应变率在达到峰值后会随着圆环的膨胀而迅速降低,给研究应变率敏感材料的拉伸碎裂带来极大的不便。在前期提出的液压膨胀环实验技术的基础上,发展了一种恒应变率加载技术。首先,从理论上获得了实现金属圆环恒应变率膨胀所需的液压加载曲线的近似表达式;然后,采用有限元流固耦合数值模拟了液压膨胀环装置中1060-O铝环的膨胀碎裂过程,在给定液压加载曲线下,膨胀环的环向应变率在应变率稳定阶段上下波动范围最大不超过20%;并进一步研究了加载曲线对碎裂过程中应变率的影响规律。在液压膨胀环实验装置上对1060-O铝环开展了膨胀环实验,验证了恒应变率加载技术的可行性。     

缺陷对脆性材料碎裂过程的影响

采用特征线方法模拟脆性材料中应力波的传播过程,采用内聚力模型模拟断裂点的断裂过程,运用C++语言开发了一个模拟脆性圆环发生一维膨胀碎裂过程的实用工具ExpRing,简要给出了该程序的理论基础和使用说明。采用此程序模拟了具有初始缺陷的脆性圆环在均匀膨胀作用下的碎裂过程,探讨了不同应变率下,缺陷分布特征对碎裂过程和平均碎片尺寸的影响。计算结果表明:(1)在一定的应变率范围内,等间距分布的点缺陷会控制断裂点的位置及碎片个数,在碎片尺寸 应变率曲线上形成一个缺陷控制碎裂平台;(2)点缺陷的间距和弱化程度将影响缺陷控制碎裂平台的宽度和位置;(3)具有缺陷的脆性材料的表观强度呈现应变率硬化特征;(4)在一定的应变率范围内,正弦分布型缺陷同样导致缺陷控制碎裂的现象。     

韧性金属圆环高速膨胀碎裂过程的有限元模拟

用数值方法模拟了韧性金属圆环的自由膨胀碎裂过程. 采用Johnson-Cook热黏塑性本构模型描述材料的动态变形和热软化特性, 采用包含内聚力失稳断裂准则的Johnson-Cook型损伤断裂模型描述材料的破坏和分离过程, 采用结合单元消去技术的ABAQUS/Explicit程序进行分析. 在特定膨胀速度下对多个圆环进行碎裂数值实验, 获得碎片样本集合. 研究证实, Grady-Kipp基于塑性卸载波传播机制的韧性碎片尺寸公式可以较好地预测碎片的平均长度. 模拟再现了圆环碎裂过程中塑性卸载波的传播,揭示了Grady-Kipp公式合理性的物理基础.      

PMMA动态拉伸破坏实验研究

本文利用Hopkinson压杆系统对PMMA变截面柱锥试样进行冲击加载,研究材料动态拉伸断裂特性和破坏机理.由于PMMA的拉压强度差别不大,采用圆柱状试件难以产生反射拉伸破坏,因此,将试样设计为圆柱锥状,实验时,将试样的圆柱端粘贴于输入杆上.实验结果表明,在一定的撞击速度下,由于应力波的汇聚作用,在试样锥段产生了反射拉伸破坏;当撞击速度较高时,在产生反射拉伸破坏的同时,试件中还产生了银纹区,随着打击速度的提高,银纹区域增大.同时根据断口的SEM观察,研究了材料的破坏机制.     

材料参数对韧性材料高应变率拉伸碎裂过程的影响

Grady-Kipp将一个与断裂能量相关的内聚断裂模型引入Mott[1]的刚性卸载波分析,导出一个预测韧性材料在高速拉伸碎裂过程中产生碎片的平均尺度的计算公式[2]。为定量评估Grady-Kipp公式的适用程度,采用数值方法模拟了具有不同材料参数的一维弹塑性杆在高应变率拉伸过程中的碎裂现象。通过改变材料的断裂能 、密度 和应变率敏感系数c,模拟了杆在不同应变率 下的碎裂过程,研究了材料参数对碎裂时的碎片尺度、表观断裂应变和断口温升等的影响。通过对应变率和碎片尺寸进行无量纲化,证实Grady-Kipp公式在广泛的材料参数范围内能较好地预测碎裂过程中发生的碎片平均尺寸。     

脆性PMMA带板中的动态裂纹传播实验

设计了一种研究裂纹在脆性带板(Strip)中传播行为的实验装置。将矩形无预制裂纹的脆性有机玻璃(PMMA)试件上下边固支,在万能试验机上施加拉伸载荷直到给定幅值,然后在试件侧边中央部位开启一个尖锐裂纹。由于预加的拉伸载荷作用,新开启的裂纹将沿试件中部快速传播,导致整个平板试件断裂。采用印刷在试件表面的导电断裂丝记录裂纹的动态传播历史。设计了一种逻辑电路,可将多达128路电阻丝的断裂信号转换为1路输出信号,使用高速波形记录仪测量该信号,得到裂纹传播距离与时间关系。对不同形状的试件施加不同幅度的预加载荷,完成断裂实验,确定了裂纹的稳定传播速度。通过大量实验,获得了材料中稳定裂纹速度v0与动态裂纹传播能Gc之间的关系。测试结果表明:PMMA的传播能Gc是传播速度v0的递增函数;当裂纹平均的稳定速度超过某一临界值时,出现明显的速度振荡。     

基于平台圆环试样的无机玻璃动态拉伸性能研究

无机玻璃的拉伸强度往往远小于压缩强度,服役过程中玻璃大多会发生拉伸断裂.论文采用平台圆环(flattened circular ring, FCR)试样测试钠钙硅酸盐玻璃的拉伸性能.分别利用电子万能试验机和电磁分离式Hopkinson压杆(electromagnetic split Hopkinson pressure bar, ESHPB)开展准静态、动态单轴单向和单轴双向实验,加载过程中采用高速相机对试样的破坏过程进行观测.结果显示,该材料试样强度具有明显的正加载速率相关性.动态单轴双向加载可比单向加载更快实现应力平衡,但两种应力波加载方式下试样的动态拉伸强度大致相同.高速摄像与动态加载同步分析表明,这是因为试样的裂纹产生时刻与应力峰值时刻几乎同时产生.对三种形式的拉伸实验结果进行对比,发现拉伸强度受试样形状影响,这与试样断裂路径上的拉伸应力分布有关.