45钢柱壳爆炸膨胀断裂的SPH模拟分析

金属柱壳爆炸膨胀断裂存在拉伸、剪切及拉剪混合等多种断裂模式,目前其物理机制及影响因素还不清晰。本文中采用光滑粒子流体动力学方法（smoothed particle hydrodynamics, SPH）对45钢柱壳在JOB-9003及RHT-901不同装药条件下的外爆实验进行了数值模拟,探讨柱壳在不同装药条件下发生的剪切断裂、拉剪混合断裂模式及其演化过程,模拟结果与实验结果一致。SPH数值模拟结果表明:在爆炸加载阶段,随着冲击波在柱壳内、外壁间来回反射形成二次塑性区,沿柱壳壁厚等效塑性应变演化呈凸形分布,壁厚中部区域等效塑性应变较内、外壁大;在较高爆炸压力（JOB-9003）作用下,柱壳断裂发生在爆轰波加载阶段,损伤裂纹从塑性应变积累较大的壁厚中部开始沿剪切方向向内、外壁扩展,形成剪切型断裂模式;而在RHT-901空心炸药加载下,虽然裂纹仍从壁厚中部开始沿剪切方向扩展,但随后柱壳进入自由膨胀阶段,未断区域处于拉伸应力状态,柱壳局部发生结构失稳,形成类似“颈缩”现象,裂纹从剪切方向转向沿颈缩区向外扩展,呈现拉剪混合断裂模式。拉伸裂纹占截面的比例与柱壳结构失稳时刻相关。可见,柱壳断裂演化是一个爆炸冲击波与柱壳结构相互作用的过程,不能简单将其作为一系列膨胀拉伸环处理。     

爆轰加载下柱壳断裂时刻微小差异测量方法

对于断裂时刻差异较小的对比实验,提出一种判读方法:同时采用高速摄影和干涉测速,利用高速摄影判读壳体断裂时刻应变,利用干涉测速获取壳体位移及应变曲线,两者结合得出较为精确的壳体断裂时刻差异。利用该方法得出45钢柱壳在JO-9159和JOB-9003两种炸药加载下断裂时间相差0.45 μs,钨合金柱壳在两种炸药加载下的断裂时间相差0.39 μs。同时该方法可以推广应用于单发壳体膨胀断裂实验中,更精确测定壳体的断裂时刻。     

水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构动态响应行为试验研究

为加深水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构动态响应行为认识,设计典型圆柱壳结构模型,开展了水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构动态响应光电联合测试,获得了冲击波、气泡与圆柱壳结构相互作用高速光学物理图像、动态应变、超压载荷、毁伤模式等试验数据。通过高速光学物理图像和三维激光扫描毁伤形态的分析,给出了冲击波、气泡与圆柱壳结构相互作用物理过程及最终毁伤模式;通过动态应变的分析,给出了圆柱壳结构迎爆面和背爆面在加载过程中应变拉伸压缩转变和响应阶段的划分;通过超压载荷的分析,明确了装药爆轰完全性以及接触爆炸加载下结构吸能对超压的影响。研究表明：爆距的变化会显著影响圆柱壳结构的毁伤形态,近距加载下圆柱壳结构主要呈现塑性大变形,接触加载下圆柱壳结构主要呈现撕裂破坏;近距加载下圆柱壳结构迎爆面空化区的形成及溃灭形成的二次加载毁伤效应不容忽视,值得深入研究;研究成果可为水下近距/接触爆炸加载下圆柱壳结构毁伤评估提供参考和依据。     

线起爆膨胀柱壳实验加载及诊断技术

基于电爆炸丝引爆炸药、继而驱动尼龙对金属柱壳进行碰撞加载的方式,在金属柱壳中部、半柱高范围内实现了一维柱面膨胀加载。同时,基于沿轴向的加载（或径向速度）一致性和沿环向的加载（或径向速度）轴对称性,提出了一维柱面加载的有效性判据。相比于滑移爆轰加载,一维柱面加载方式具有应力状态相对简单、易简化为二维轴对称问题分析的优点。在柱壳断裂诊断方面,建立了分布式表面速度诊断方法来监测柱壳圆周范围内的初始断裂。其原理为:均匀承载壳体断裂引起的局部承载失效将导致均匀速度曲线簇出现分叉（或演化趋势变化）。与高速分幅照相诊断方法相比,分布式表面速度诊断方法可准确获取柱壳圆周范围内的初始断裂信息（含断裂时刻和断裂位置）。利用建立的线起爆膨胀柱壳实验加载和诊断技术,获得了304钢和45钢柱壳的一维柱面动态拉伸初始断裂性能数据（含断裂应变、平均应变率）,其中,45钢柱壳的断裂应变（或延展性）低于304钢柱壳的。     

轻质泡沫金属夹芯壳结构的抗爆炸冲击性能研究

通过实验研究和有限元模拟,重点关注了泡沫金属夹芯壳结构的抗爆炸冲击性能和能量吸收机理.给出了爆炸载荷下泡沫金属夹芯壳结构的典型动力失效模式,分析了关键几何拓扑参量对其抗爆炸冲击性能的影响规律,模拟了爆炸载荷下夹芯壳结构的整个塑性动力响应过程,讨论了夹芯壳结构各组成部件的能量耗散分配机制.结果表明,夹芯壳结构的抗爆炸冲击性能可以通过优化承载范围和结构配置而提高;夹芯壳结构的能量吸收能力与其失效机制相关,且泡沫金属芯层的贡献最大.研究结果可为强动载荷服役条件下泡沫金属夹芯复合结构的防护要求及优化设计提供技术支持.     

内部爆炸加载下柱壳的环周分裂数

基于有限长度柱壳的Gurney速度公式,以壳体平均半径估算平均应变率,同时考虑壳体剪切断裂时的断裂面长度与径向壁厚的差异,对Grady-Kipp方法进行了修正,得到柱壳剪切断裂模式下环周分裂数的完整表达式。利用修正方法分析得到的环周分裂数计算结果与实验数据分析结果符合更好。以20号低碳钢柱壳为例,对其在TNT爆炸加载下的膨胀断裂进行了三维数值模拟,得到的环周分裂数模拟结果与实验结果符合较好。     

45钢薄壁圆柱管的冲击膨胀断裂机理研究

采用改进型霍普金森压杆实验技术,对不同膨胀断裂状态的45号钢薄壁金属圆柱管进行了冻结回收,直接观测了薄壁金属圆柱管动态膨胀断裂过程中的裂纹萌生、扩展情况以及最终断裂模式等断裂演化特征。对冻结回收样品进行的金相显微分析完整观察到了裂纹萌生、扩展直至断裂的整个膨胀断裂过程,并得出以下结论:薄壁金属圆柱管在中应变率的膨胀断裂过程中,拉伸和剪切断裂机制起主导作用。裂纹萌生于外壁面,并由外向内扩展,断裂模式随加载应变率的提高逐渐由拉剪混合向纯剪切过渡。与爆轰加载的高应变率薄壁金属圆柱管断裂过程不同的是,随加载载荷的增加,薄壁金属圆柱管的断裂逐渐由拉伸断裂向剪切断裂过渡,而非绝热剪切断裂,这种差异的产生原因尚待研究。     

20#钢动态拉伸断裂行为及其临界损伤度研究

首先对一维应变平面冲击载荷下20#钢的动态拉伸断裂行为进行了实验研究,考察了加载应力和拉伸应变率影响;然后基于损伤度函数模型,对实验进行了数值模拟研究,结果表明：模型中定义的特征物理量一断裂临界损伤度与外载荷条件（加载应力和拉伸应变率）的无关性或不敏感性;最后,采用Ls-dyna动力有限元程序并嵌入损伤度函数模型,对滑移爆轰下20#钢柱壳内爆驱动层裂进行二维数值模拟研究,结果表明：一维应变平面层裂实验和模型计算确定的损伤模型参数,也适用于描述柱壳构形复杂应力环境下的动态拉伸断裂问题．从而初步证实了断裂临界损伤度可以看作是一个表征延性金属动态拉伸断裂的内禀物性参数．     

45钢柱壳膨胀断裂的应变率效应

采用前照明高速分幅照相技术拍摄到在爆轰加载下45钢柱壳表面裂纹生成、扩展及产物泄漏过程的清晰图像,较准确地测量了膨胀断裂的时间与应变。 45钢柱壳在炸药爆轰加载下,断裂应变随应变率的增加而增加,当应变率达到一定值,断裂应变随应变率的增加而降低,出现了动态断裂中的塑性峰现象。     

TA2钛合金开口柱壳外爆碎片分布研究

金属柱壳爆炸膨胀断裂机制及其对碎片分布、特征尺寸的影响是应用物理、力学、兵器工程等领域共同关心的重要课题, 但目前除数值模拟外, 考虑断裂机制的简单二维碎裂模型尚未出现.开展TA2钛合金开口柱壳在不同装药条件下的碎裂实验研究, 通过对软回收碎片的统计及微观分析, 探讨金属柱壳外爆断裂模式及二维碎片分布规律, 结果显示:(1) TA2钛合金柱壳在实验爆压(7 $\sim$ 25 GPa)下宏观断口均为剪切断裂模式, 但机制不同, 在较高爆压下柱壳剪切断裂由多重绝热剪切带破坏控制, 在较低压力下为剪切破坏;(2) 与一维拉伸碎裂相比, 柱壳爆炸碎裂不充分, 碎片质量更符合$\beta=1$ (或更接近1)的指数分布; 爆炸碎裂越充分, 碎片越小并趋于均匀, $\beta$趋于较小的值, 趋向Mott和Linfoot提出的泊松统计分布形式;(3) Rayleigh分布可以较好描述柱壳碎片的宽度分布规律, 不同爆压下柱壳碎片宽度归一化尺寸分布具有相似性, 呈现"量子化"特性, 即存在最小的特征尺寸; (4) TA2柱壳碎片特征尺寸远大于G-K剪切断裂公式预测的尺寸, G-K剪切式描述的是多重绝热剪切带间距.本研究为金属柱壳碎片特征、分布规律及其模型分析提供了重要参考.      

膨胀环实验平台及其在材料动力学行为研究中的应用

分析了目前膨胀环实验技术的研究现状,介绍了本课题组搭建的电磁膨胀环和爆炸膨胀环实验平台,着重介绍了其原理和主要性能参数。爆炸膨胀环实验中提出了一种新的爆炸丝起爆方式,电磁膨胀环平台中使用了一种先进的三电极开关实现电流截断。膨胀环的传统研究方向为材料的断裂行为、破片的统计规律、材料的动态拉伸本构等,本课题组将其拓展到材料在冲击拉伸加载下的损伤演化规律、裂纹的扩展速度等研究领域。本文对膨胀环平台的主要应用研究进行了一个较全面系统的总结概括,并指出今后膨胀环平台应用研究的主要方向。     

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。     

薄壁柱壳在内部爆炸载荷下膨胀断裂的研究

以柱形爆炸装置为研究对象 ,讨论了其薄壁壳体在爆炸载荷下的动态断裂准则。给出了典型的FAE模型及在数值计算时必要的简化条件。对回收的壳壁破片进行了SEM扫描电镜观测 ,分析了金属材料在高应变率下膨胀断裂的微观机制。采用解耦的、考虑应变强化的粘塑性本构方程 ,根据损伤破坏理论推导出以临界应变为依据的改进断裂准则 ,计算表明断裂参数理论解与数值模拟结果一致 ,并得到了实验方面的例证。     

修正金属本构模型在超高速撞击模拟中的应用

为更加准确地计算93钨合金弹超高速撞击Q345钢板问题,构建了修正的金属本构模型。引入GRAY三相物态方程描述材料相态变化,采用Johnson-Cook强度模型描述撞击后期材料的力学行为。结合封加波损伤演化模型以及Johnson-Cook失效模型描述不同应力三轴度下材料的拉伸、剪切失效行为;引入曹祥提出的断裂演化模型,描述材料失效后应力归零的过程。通过对比超高速撞击数值模拟结果与实验结果,验证了本构模型的适用性,并进一步分析了典型弹靶撞击条件下破片群的空间分布特征。研究结果表明：基于修正金属本构模型获得的超高速撞击靶板穿孔直径、弹体侵蚀长度、破片群扩展速度结果与实验结果一致;GRAY三相物态方程能够相对准确地给出弹体撞击首层靶板以及剩余弹体、破片群撞击第2层靶板时弹靶材料的熔化情况;封加波损伤演化模型能够准确判断超高速撞击过程中靶板是否产生层裂破坏;综合封加波损伤演化模型、Johnson-Cook失效模型以及曹祥提出的断裂演化模型后,数值模拟获得的破片群撞击后效靶板的穿孔面积与累积数量的统计曲线结果与实验结果一致;获得了典型条件下的柱形93钨弹体超高速撞击Q345靶板破片群空间分布结果...     

表面粗糙度对6061铝合金薄壁管冲击膨胀断裂性能的影响

采用分离式霍普金森杆实验技术,对表面加工后不同粗糙度的6061铝合金薄壁圆柱管进行动态膨胀断裂冻结回收实验,并对薄壁金属圆柱管动态膨胀断裂过程中裂纹萌生、扩展情况以及最终断裂模式等进行了研究。结果表明:相同冲击压力条件下,薄壁金属圆柱管表面粗糙度越大,材料越容易发生膨胀破裂;裂纹萌生于外壁面,由外向内扩展,并且裂纹的扩展主要受裂纹处应力状态的影响;薄壁金属圆柱管的断裂模式由拉伸和剪切断裂机制起主导作用,其断口为拉剪混合型断口。     

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.      

A modified Stillinger–Weber potential-based hyperelastic constitutive model for nonlinear elasticity

The Stillinger–Weber (SW) potential, which is a combination of the two- and three-body interaction, states that the bond energy is not only related to the distance between atoms, but also related to the bond angles subtended by this given bond and other bonds. The bond energy mechanism presented by the SW potential is different from that by the classical potentials, such as the Lennard–Jones, Tersoff and Embedded Atom potentials. Different micro energy mechanism reveals different micro fracture mechanism. The original SW potential takes the ‘ideal’ tetrahedral angle as the reference value of each bond angle in the current configuration, which makes it only applicable to the silicon materials. However, the micro fracture mechanism revealed by the SW potential should not be confined to the silicon materials. To extend the SW potential to a wider range of materials, the value of the bond angle in the reference configuration, not the ‘ideal’ tetrahedral angle, is taken as the reference value of this bond angle in the current configuration. Based on this modified SW potential, a constitutive model is developed. By this way, the micro fracture mechanism invoked by the SW potential is incorporated into the constitutive relation. Through this proposed constitutive model, it is found that the Hookean matrix derived from the SW potential matches that of a linear elastic continuum, which suggests that there exists a corresponding relationship between the micro physical parameters of SW potential and the macro material constants. The corresponding micro–macro parameter relationship is derived in this paper. To examine the application of this method to other materials, it is used to simulate the mixed fracture growth in concrete under static and dynamic load. The simulation results suggest that the present method can capture the characters of fracture growth in the quasi-brittle materials. It suggests that the constitutive model based on the modified SW potential can be applied to materials other than silicon. Because the interatomic potential-incorporated constitutive model makes the fracture criterion as the intrinsic property of a constitutive relation, it presents many advantages in fracture simulation. This paper enriches the constitutive relation with the micro fracture mechanism presented in SW potential, providing a new micro constitutive model for materials. Besides this, it also provides a feasible approach to calibrating the parameters of the SW potential for a certain material.     

延性金属膨胀环的运动及断裂的三维数值模拟

利用LS-DYNA三维动力有限元软件对延性金属环的膨胀运动与断裂进行数值模拟。在膨胀环圆周加入泊松随机分布断裂成核点,利用J-C本构模型,研究诸如颈缩形成时间、颈缩区与均匀变形区的温度、应力、应变的对比等颈缩形成机理,以及讨论了环圆周上断裂成核点的泊松随机分布碎裂特性的影响。数值计算结果与实验结果、理论分析结果吻合较好,表明施加泊松随机断裂成核点的数值模拟方法是合理的。     

中子辐照金属材料的脆化模型研究

金属材料的辐照脆化问题一直以来都是核能安全领域亟待解决的关键问题之一.为了更准确地预测金属材料的辐照脆化行为,基于Johnson-Cook本构模型,将未辐照金属材料的断裂真应力取作辐照材料的断裂真应力,建立了通过辐照退火态金属材料屈服强度就能够预测其整个真应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线,以及断裂真应变的辐照脆化模型.实验研究了不同中子剂量辐照退火态高纯铝的准静态拉伸真应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线、断裂真应力和断裂真应变随辐照剂量的变化规律.结果表明,辐照剂量越高,高纯铝的屈服强度越高,断裂真应变越低,但断裂真应力几乎不变.通过TEM显微分析获得了高纯铝内部辐照缺陷的尺寸和数密度随辐照剂量的变化规律,结果表明,辐照剂量越高,孔洞的尺寸和数密度越高,但位错环尺寸和数密度始终很小,难以准确统计.由辐照高纯铝实验数据拟合得到了辐照脆化模型所需参数,并检验了该模型的预测效果.结果表明,无论是通过实验还是显微分析得到辐照高纯铝的屈服强度,模型的预测结果均能够与实验结果较好地吻合,且模型对退火态高纯铝临界中子剂量的预测值也与文献结果一致.