固体的冲击拉伸碎裂

固体材料在冲击拉伸载荷作用下常常会断裂成多个碎片(碎片化)，固体材料碎片化的物理机制是多点损伤同时在固体中成核和发展，导致固体多处破坏。自 Mott 对固体的动态碎裂问题进行了开创性研究后，几十年来，对固体动态碎裂机制的研究一直是应用物理学、力学、航天和兵器工程等领域共同关心的重要课题。本文介绍了在冲击拉伸载荷作用下固体的动态碎裂研究的发展历史，给出相关的理论分析、实验研究和数值模拟的研究进展，特别针对现有的各种关于碎片尺度、碎片分布、以及碎片化物理机制的理论模型进行了较详尽的阐述和讨论，最后指出现有实验和理论研究中仍然存在的关键科学问题及进一步的研究展望。     

周期分布缺陷对韧性材料高应变率拉伸碎裂过程的影响

为研究初始缺陷对材料高应变率碎裂过程的影响,采用有限元方法模拟了具有周期性几何缺陷的韧性金属圆杆在高应变率拉伸过程中的碎裂现象。模拟结果表明:(1)与无初始缺陷的韧性杆件相比,具有一定幅值的初始缺陷的杆件在同等拉伸速度下发生断(碎)裂的时刻一般提前;(2)初始缺陷对碎片的尺寸和大小分布影响明显,在一定的应变率范围内,周期性缺陷完全控制了韧性材料碎裂过程中产生碎片的个数,可称这个碎裂过程为"缺陷控制碎裂";(3)改变初始缺陷的空间间距和幅值,出现"缺陷控制碎裂"的应变率窗口将发生明显变化。进一步讨论了具有2种幅值的复合缺陷对拉伸碎裂过程的影响。     

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。     

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。     

梁在纯弯曲作用下的脆性断裂

脆性梁在纯弯曲断裂时会产生多个碎片, 其断裂过程直接影响弯曲波的产生和传播, 以及产生碎片的平均尺度. 采用内聚力断裂模型对脆性梁的弯曲断裂过程进行有限元数值模拟, 再现了断裂中的裂纹扩展过程, 分析了脆性梁断裂后断裂面弯矩与裂纹张开角之间的规律. 数值结果表明: (1)在一个广泛的材料参数和加载应变率条件下, 断裂面弯矩与裂纹张开角之间均呈相似的单调衰减规律; (2)断裂过程中弯矩做功与断裂面的表面能一致; (3)在纯弯矩作用下, 裂纹前端总是存在压应力区域, 使得断裂末期应力状态较为复杂, 断裂不再是纯弯曲状态.     

Laplace变换法研究SHPB实验中试件的黏弹性波传播问题

对分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB) 实验中试件的黏弹性波传播的控制方程组进行Laplace 变换,并结合恰当的初始-边界条件求解,得到变换域的应力、速度、应变等变量的像函数的精确表达式. 采用该方法处理SHPB 实验中涉及黏弹性试件内部应力非均匀性问题,并给出数值反变换解. 作为特例,对于弹性试件分别采用级数展开法和留数定理进行反Laplace 变换,从而给出弹性夹层介质中应力波传播问题的解析解.      

韧性材料冲击拉伸碎裂中的碎片尺寸分布规律

利用有限元方法模拟韧性金属圆环高速膨胀过程中的碎裂过程, 获得不同初始膨胀速度下碎片的样本集合. 通过对碎片的尺寸进行统计分析发现:(1)无论初始膨胀速度如何, 碎片的归一化尺寸分布具有相似性, 可以用一个具有初始阈值的Weibull分布描述, 近似地, 这个分布还可以简化为Rayleigh分布;(2)碎片尺寸的累积分布曲线呈现阶梯特性, 表现出较明显的"量子化"特性.在上述发现基础上, 建立一个Monte-Carlo模型:碎裂点来自于颈缩点, 颈缩之间的间距满足某种连续的Weibull分布, 而碎片的尺寸为随机的若干个颈缩间距之和.概率模拟表明:除非早期的颈缩间距分布很宽, 否则选择的离散性必然导致碎片尺寸分布呈现某种量子化特性.采用L04工业纯铝和无氧铜试件进行了爆炸膨胀碎裂实验, 回收得到的碎片尺寸分布结果与理论分析基本一致.