Zr基非晶合金JH-2模型的构建及应用

为构建Zr_62.5Nb₃Cu_14.5Ni₁₄Al₆非晶合金在高压、大应变、高应变率状态下的材料模型,采用根据实验数据理论推导和数值模拟对比反馈的方法,对材料的Johnson-Holmquist本构模型（JH-2模型）参数进行了研究:材料的静水压力-体应变关系通过平板冲击实验数据和理论推导得到;无损材料强度与应变、应变率的关系通过轴向压缩实验数据确定;材料损伤参数与破碎材料强度参数的关系通过平板冲击实验数据确定;破碎材料强度参数通过数值模拟与实验结果对比的反馈法得到。将材料模型应用于平板冲击和破片侵彻的数值模拟,通过数值模拟与实验结果对比的方式,验证材料模型的准确性。结果表明,平板冲击实验中,材料的自由面粒子速度曲线与数值模拟结果吻合度较高;破片侵彻实验中,破片对钢靶的侵彻深度、开坑孔径与数值模拟结果的一致性较好,构建的材料模型较准确反映了材料的动态力学特性。     

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。     

Fragmentations of solids under impact tension

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.     

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.     

Zr基非晶合金破片冲击破碎反应机制研究

为研究Zr基非晶合金破片的冲击破碎反应机制,进行了准密封箱冲击超压实验,测试了破片的碎片粒度,分析了碎片尺寸分布关系,并对不同粒径尺度的碎片进行了X射线衍射分析。实验结果表明,材料在冲击加载下的反应程度随着撞击速度的升高而增大;碎片分布符合分段式幂次律分布规律;材料冲击诱发的化学反应主要为Zr元素与空气中氧气的燃烧,其主要反应产物为ZrO₂。基于冲击升温-碎片分布-碎片燃烧的冲击破碎反应理论模型能较好地解释冲击作用下Zr基非晶合金破片的反应规律,理论计算与实验结果吻合度较高。     

碎片云SPH方法数值模拟中的材料失效模型

光滑粒子流体动力学方法（smoothed particle hydrodynamics,SPH）被广泛应用于薄板超高速撞击碎片云的数值模拟。利用AUTODYN软件中的SPH模块,考察了无失效模型、Grady失效模型和最大拉应力失效模型3种方案下碎片云模拟结果,发现无失效模型时计算结果及材料表现与实验明显不符;相比于Grady失效模型,最大拉应力失效模型下材料更难失效,将小幅度减弱碎片云扩散程度,碎片总数减少,粒子聚集产生更大碎片,碎片云侵彻性能提高,增大模型失效阈值亦有上述表现。相比而言,Grady失效模型计算结果更符合实验,但2种失效模型间差异与撞击工况相关,材料破碎越充分差异越小。     

填药柱壳在内部爆炸载荷下的变形和破坏

采用一种计及三轴因子的损伤模型,以本构关系的内变量理论为基础得到了热塑性本构关系的普适显武表达式;得到了改进的Johnson-Cook本构模型的增量形式; 考虑温度和损伤对材料参数的影响,计入温度和损伤对材料塑性变形发展的耦合作用,给出完备的计算方程组;用Lagrange显示差分的方法对填药柱壳在内部爆炸载荷下的变形和破坏进行了数值模拟,并对结果进行分析,与实验结果进行了比较.     

金属基纳米复合材料等效弹性模量的均匀化方法数值模拟

均匀化理论利用位移场双尺度渐近展开建立有限元列式，本文将其与有限元通用程序相结合，应用于金属基复合材料的弹性本构数值模拟。通过对不同尺度增强相金属基复合材料等效模量的数值模拟，考察了均匀化方法的适用情况。数值计算结果表明，对常规尺度增强相金属基复合材料，均匀化方法可以较准确地预测其等效弹性模量；对纳米增强相金属基复合材料，该方法仍可给出较好的预测，但存在某种程度的系统偏差。通过对纳米尺度增强机理的分析讨论，认为纳米增强相与基体材料问的界面效应可能有别于连续介质假设，指出可以考虑采用离散原子-连续介质耦合模型改进数值模拟结果。     

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.      

平纹编织C/SiC复合材料低速冲击数值模拟

首先,基于空气炮装置进行了2D-C/SiC薄板在冲击速度为79~219 m/s范围内的低速冲击实验,对碎片云团发展过程进行高速摄影记录;其次,基于Autodyn软件正交各向异性复合材料模型,推导2D-C/SiC材料相关参数;选取SPH求解器建立二维计算模型,对实验工况进行数值模拟,并基于碎片云结构、B扫描检测结果和碎片云轴向发展速度验证了该模型可以很好地描述C/SiC材料在冲击载荷作用下的脆性特征和软化行为。最后,基于数值模拟结果推导得出了钢弹丸冲击C/SiC材料的极限侵彻深度预测公式。     

冲击载荷作用下韧－脆复合板结构中脆性材料破碎的实验和数值模拟

本文以冲击实验和有限元分析研究了韧－脆复合材料结构中脆性材料的破碎问题。材料的破碎图具有一定的分形特征，其分形维数随冲击载荷的增大而增加。基于实验结果的非线性动力有限元分析对这类破碎图样的演化给出了动态过程模拟     

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.     

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.      

Predicting fracture and fragmentation in ceramic using a thermo-mechanical basis

In this paper, the corrective smoothed particle method (CSPM) numerical algorithm as a modification of traditional SPH particle method has been employed to predict fracture and fragmentation in ceramics using a thermo-mechanical basis under hypervelocity impact conditions. In order to study the brittle behavior in ceramic, the JHB computational constitutive model which considers phase transition in a solid continuum has been applied. An appropriate heat conduction equation has been coupled with the Johnson–Cook yield criteria in order to get more accurate temperature field especially in impact zone which consequently gives a more exact solution in such problems coming with highly produced magnitude of pressure and temperature in the material. It has been shown that implementation of the CSPM scheme with a thermo-mechanical basis can predict the brittle fracture and fragmentation in ceramics under hyper velocity impact conditions.     

Dynamic fragmentation of ceramics, signature of defects and scaling of fragment sizes

Defects play a critical role in the dynamic fragmentation process of structural ceramics. Cracks initiate at seemingly random locations, propagate and coalesce to form fragments. The process is accompanied by stress release waves, whose influence is difficult to account for without numerical analysis. In this paper, we use a finite-element program with a cohesive fracture capability, to relate a defect distribution contained in a material with the resulting number of fragments. We show how the distribution tail, e.g. the number of large defects, and the rate at which cracks can be initiated at these sites have a critical influence on the generation of stress release waves and thus on the fragmentation process. Our numerical calculations yield a new factor, which we label communication factor, that we use to normalize the average fragment size and to define a new scaling function of material properties, defect statistics and loading rate.     

侵彻条件下两类靶体材料静阻力的探讨

以空腔膨胀理论为主要理论工具,通过比较侵彻近区塑性材料和脆性材料动力学行为的差异,对两类不同材料静阻力（R_t）的本质进行探讨,并对脆性材料侵彻的若干应用问题提出建议。研究表明:（1）R_t是靶体介质以固体特性抵抗局部扩孔、具有时间平均特性的弹体横截面平均应力,其具体取值随着材料的物理力学特性、侵彻模型、撞击速度等因素而变化,因此不是材料的固有特性。（2）对于塑性靶体的非变形侵彻问题,静态空腔膨胀理论的结果能够对R_t作出比较合理的预测;对于拟流体侵彻问题,一般需要对静态空腔膨胀理论的结果加以修正。（3）脆性材料的R_t主要取决于破碎后介质的力学特性而与完整材料的力学特性关系不大,且与单轴抗压强度之间不满足纯粹的单调关系;当侵彻速度较低时,应考虑侵彻速度对侵彻阻力的强化作用,这种强化作用的本质是内摩擦;当侵彻速度足够高时,脆性材料体现出恒定不变的“动力硬度”,其反映了材料的本征阻力特性。（4）提高脆性材料的侵彻阻力的关键在于减小应力波峰值后环向拉应力的幅值、抑制材料的破碎速度和程度,具体措施包括主动或被动地增加外围压、对基质中添加增韧增强纤维等;为了实现对脆性材料侵彻问题更高精度的数值模拟,建议更加重视对破碎介质动力学特性的研究。     

Soil failure under undrained quasi-static and high speed triaxial compression test

Experiments were conducted in unsaturated silty loam and sandy loam soils under undrained conditions. Soil failure under quasi-static and high speed triaxial compression were studied. The amount of energy used in breaking soil specimens was found to be a function of soil moisture content. During undrained quasi-static triaxial compression tests, two cases of brittle failure, a general shear failure and a fragmentation were observed. The test soil specimen broke more by fragmentation than by general shear failure. During undrained high speed triaxial compression tests, the energy use for breaking the soil specimen increased with increase in loading speed up to a certain critical speed range of 4.5–5 m/s, and then it decreased. Two types of soil failure, brittle failure and plastic flow, which were a function of the loading speed, were noticed. At lower speed, dilation of shearing along a slip plane was observed. However, at higher speed, barreling of the cylindrical specimen with top and bottom conical shaped wedges, or only a single wedge with a small crack or fluidization, was observed.     

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。     

脆性材料破坏模拟的网格生成算法

脆性材料的破坏过程具有随机性,当前的网格生成算法没有充分考虑脆性材料破坏时裂纹扩展和碎块生成的随机性。在Persson网格生成算法与Delaunay随机网格剖分理论基础上,提出了一种可根据模拟需要动态控制网格品质的网格生成算法。通过对随机分布点的Delauna三角化,生成初始网格,然后将网格体系比拟为桁架结构,网格节点即为桁架节点。桁架节点在虚拟力作用下可动态调整位置,并最终达到整个体系受力平衡。对Persson 算法中的尺寸分布函数和收敛条件进行了修正,从而提高了收敛速度,并适用于任意形状对象的网格剖分。 基于VC++平台开发了算法程序。通过实例对算法进行了验证,表明算法能够满足脆性材料破碎模拟的需要。     

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。