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。     

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.      

表面加工塑性层对金属柱壳剪切带自组织单旋起始的影响

在外爆加载金属柱壳高速坍塌过程中, 发生塑性变形失稳形成的剪切带具有高度的自组织特征, 甚至出现剪切带排列的单旋现象—剪切带在顺时针和逆时针两个方向呈现一个方向占优的现象. 柱壳在坍塌时, 最大剪切应力位于柱壳内表面, 剪切带的形核及扩展行为受内表面材料介观状态的影响显著. 本文通过选材和控制柱壳加工工艺, 获得了内表面具有不同厚度塑性层的20钢柱壳, 采用厚壁圆筒实验技术, 研究了表面加工塑性层对金属柱壳绝热剪切带自组织单旋现象起始的影响规律及其物理机制. 研究结果表明, 金属柱壳内表面加工塑性层显著改变了试样剪切带的起始条件, 沿顺时针或逆时针方向排列的剪切带形核数量在总剪切带数量中所占比例取决于表面加工塑性层的厚度和晶粒取向, 具有单一晶粒拉伸方向的较厚塑性层样品更容易形成单向螺旋剪切带结构. 在相同变形条件下, 随着塑性层厚度增加, 剪切带平均形核速率和扩展速率增大, 剪切带平均间距减小. 结果可为理解金属柱壳在高速塌陷过程中绝热剪切带占优取向现象提供有价值的参考.      

微缺陷对圆管膨胀断裂的影响

通过理论和数值模拟分析了缺陷方向和位置对圆管膨胀破裂的影响,采用微缺陷研究方法进行了新的解释。采用含微缺陷的圆管模型探讨了微缺陷对圆管膨胀断裂影响,表明微缺陷将加速圆管径向扩展和剪切扩展相互贯通的过程。分析了实验获得的膨胀断裂应变与作为材料基本参数提供给计算程序的断裂（失效）应变的关系,说明在考虑圆管沿壁厚的破裂过程中,两者不是同一概念,只有将实验获得的断裂应变经过一定的推导后才能作为材料基本参数用于程序计算。     

爆轰加载下金属柱壳膨胀破裂过程研究

采用前照明的高速分幅照相对不同壁厚的45钢柱壳在爆轰加载下的膨胀破裂过程进行了研究,实验成功拍摄到45钢柱壳前表面裂纹生成、扩展及产物泄漏的过程图像。研究表明:膨胀应变率在104s-1附近时,随着应变率的增加,45钢柱壳的各特征应变均有所增加,断裂模式由拉剪混合向单一剪切转变;45钢柱壳的膨胀破裂有一个过程,从柱壳的外壁面可以观察到裂纹生成至产物开始泄漏经历时间历程的长短与柱壳壁厚相关,柱壳壁越厚,从外壁出现裂纹到产物开始泄漏的时间间隔越长;由回收破片厚度测量推算出的膨胀断裂应变与动态实验过程中产物开始泄漏时的断裂应变基本一致。     

内部爆炸作用下20钢柱壳的变形及相变

研究冲击波作用下金属微观组织变化对于理解柱壳结构在高应变率下的变形及破坏极为重要。实验通过对20钢金属柱壳在内部爆炸载荷作用下的爆炸回收碎片截面进行微观分析,探讨冲击波作用下材料的组织演化、相变特征,同时使用有限元方法对柱壳膨胀断裂过程中的热力学特征进行分析。研究发现:20钢柱壳近内表面满足α→ε相变热力学条件的有限深度区域内,α晶粒内可见明显的平行滑移线分布特征;电子背散射衍射揭示了平行滑移线区域内组织碎化,且存在{112}<111>和{332}<113>两种孪晶,同时平行滑移线的碎化组织区域中存在密排六方晶格(HCP)的ε相结构,而试样原始组织及爆炸后除试样壁厚内部(0～3.0 mm)区域外均未见ε相结构残留。分析认为:冲击过程中发生了α→ε相变;相变引发的材料性能改变将可能影响断裂破坏过程;考虑冲击波作用下金属材料动态相变对结构变形与破坏的影响,对这类柱壳变形及破坏的精密物理模拟具有重要意义,有必要开展进一步研究。     

金属材料三维断裂韧度厚度效应的有限元模拟

随着金属材料大壁厚结构件在工程中的广泛应用,对其断裂韧度的厚度效应研究具有重要的科学意义和工程价值。本研究基于有限元和实验相结合的方法,对金属材料断裂韧度的厚度效应进行预测。首先,通过一组薄壁厚金属材料标准三点弯曲试验得到试样失效时的临界载荷值,并利用内聚力模型与基于虚拟裂纹闭合技术的裂纹扩展模拟方法得到裂纹扩展时的单元临界能量释放率。随后,以此临界能量释放率作为裂纹扩展的启裂准则门槛值,通过有限元计算得到不同试样厚度下裂纹启裂时的裂尖断裂参数随着厚度的变化规律。最后,为了验证有限元模拟结果的准确性,本研究进行了另外两组不同厚度下三点弯曲试样的断裂韧度试验,并将试验结果与有限元结果进行了对比,验证了有限元所模拟的断裂韧度厚度效应的准确性。本研究旨在,通过薄壁厚三点弯曲试样的实验结果结合有限元模拟工作,即可实现金属材料断裂韧度的整个厚度效应曲线,为任意厚度下金属材料断裂韧度预测提供一种可靠的研究方法,有益于缩减试验成本,为大壁厚工程结构件的失效预测提供依据。     

不同加载状态下TA2钛合金绝热剪切破坏响应特性

一般认为绝热剪切现象在宏观上表现为材料动态本构失稳,即热软化大于应变硬化.本文采用帽型受迫剪切试样研究TA2钛合金的动态力学特性和本构失稳过程.首先对剪切区加载应力状态进行理论和数值分析,通过合理设计帽型试样,剪切区变形可近似按剪切状态处理;结合二维数字图像相关法(two-dimensional digital image correlation,DIC-2D)直接测试试样剪切区应变演化,给出帽型受迫剪切实验的等效应力-应变响应曲线.进一步,利用Hopkinson压杆对TA2钛合金开展动态压缩及帽型剪切对比试验研究,比较压缩、剪切试验得到的等效应力-应变曲线,采用"冻结"试样方法分析试样中绝热剪切局域化演化过程,探讨不同加载状态下TA2钛合金的绝热剪切破坏现象及其动态力学响应特性.实验结果表明,在塑性变形初始阶段,动态压缩及剪切加载下的等效应力-应变曲线符合较好,但随塑性损伤发展及绝热剪切带形成,两者出现分离,表明损伤及绝热剪切演化过程与应力状态相关.剪切试样实验得到的本构"软化"特性能够反映绝热剪切带起始、破坏演化过程的力学响应特性,而在动态压缩实验中,即使试样中已出现双锥形的绝热剪切带及局部裂纹分布,其表观等效应力-应变曲线并不出现软化特征,动态压缩实验无法得到关于绝热剪切起始、发展以及破坏的本构软化响应特性.     

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。     

准静态条件下金属材料的临界断裂准则研究

本文针对9种金属材料完成了具有不同约束程度的10类试样的延性断裂试验, 获得了发生拉、压、扭和裂尖断裂等破坏形式构型试样的载荷-位移试验关系; 基于圆棒漏斗试样拉伸试验所得直至破坏的载荷-位移曲线, 采用有限元辅助试验(finite-element-analysis aided testing, FAT)方法得到了9种材料直至破坏的全程等效应力-应变曲线, 以此作为材料本构关系通过有限元分析获得了各类试样直至临界破坏的载荷-位移关系模拟. 载荷-位移关系模拟结果与试验结果有较好的一致性, 表明用于解决试样颈缩问题的FAT方法所获得的全程材料本构关系针对各向同性材料具有真实性和普适性. 对应9种材料、10类试样的36 个载荷-位移临界断裂点, 通过有限元分析获得了对应的材料临界断裂应力、应变与临界应力三轴度, 研究表明, 第一主应力在延性变形过程中为主控断裂的主导参量; 通过研究光滑、缺口、裂纹等构型试样的断裂状态, 提出了$-1$至3范围的应力三轴度下由第一主应力主控的统一塑性临界断裂准则.      

Determination of the thermal stress wave propagation in orthotropic hollow cylinder based on classical theory of thermoelasticity

The thermoelasticity problem in a thick-walled orthotropic hollow cylinder is solved analytically using finite Hankel transform and Laplace transform. Time-dependent thermal and mechanical boundary conditions are applied on the inner and the outer surfaces of the cylinder. For solving the energy equation, the temperature itself is considered as boundary condition to be applied on both the inner and the outer surfaces of the orthotropic cylinder. Two different cases are assumed for solving the equation of motion: traction–traction problem (tractions are prescribed on both the inner and the outer surfaces) and traction–displacement (traction is prescribed on the inner surface and displacement is prescribed on the outer surface of the hollow orthotropic cylinder). Due to considering uncoupled theory, after obtaining temperature distribution, the dynamical structural problem is solved and closed-form relations are derived for radial displacement, radial and hoop stress. As a case study, exponentially decaying temperature with respect to time is prescribed on the inner surface of the cylinder and the temperature of the outer surface is considered to be zero. Owing to solving dynamical problem, the stress wave propagation and its reflections were observed after plotting the results in both cases.     

爆炸加载下装配垫片对金属柱壳膨胀断裂影响研究

采用多普勒光纤探针测速技术（Doppler pins system，DPS，又称全光纤位移干涉测速技术）和高速摄影技术，研究装配垫片对金属柱壳膨胀断裂的影响，获得了有无垫片对应柱壳外表面位置的速度曲线和垫片对柱壳膨胀断裂影响明显的高速摄影图像。实验结果表明:与无垫片区域相比，垫片区域的柱壳外表面经历了先凸起后内凹的过程，导致垫片对应柱壳的径向运动位移发生反复错位，最终低于无垫片区域约0.34 mm，该位移差可能导致柱壳发生径向剪切断裂；实验结果还表明，在垫片与间隙交界处两侧（沿垫片方向约7.5°、沿间隙方向约9°）处各增加了一条裂纹，该断裂模式既不同于环向拉伸断裂，也不同于45°的剪切断裂，而是由垫片/间隙边界产生的两束稀疏应力波传到柱壳外表面引起的扰动影响所致，这个新的断裂模式与柱壳材料的动态力学性能密切相关。数值模拟结果表明，装配垫片对柱壳断裂机制影响不仅包含该处附加的质量效应，还应考虑炸药通过垫片后作用在柱壳上的冲击加载幅值变化、冲击加载时序与其他部位不同步的差异，以及垫片/间隙交界处引起的表面波传播对柱壳断裂模式的后续发展行为的影响。     

基于声发射矩张量分析混凝土破坏的裂纹运动

从细观上看, 混凝土是一种由骨料、水泥浆基体、裂纹等组成的非均匀复合材料. 单轴准静态加载条件下, 应力应变曲线表现出明显的准脆性特征. 其变形破坏过程实质上是内部微裂纹产生、扩展和汇合的过程, 研究细观尺度的裂纹扩展演化将有助于深入了解混凝土的变形和破坏过程. 声发射作为一种物理检测方法可以获取材料内部细观损伤演化的物理信息. 本文基于声发射技术, 结合改进的时差定位算法和矩张量理论对声发射信号进行分析, 反演了混凝土巴西劈裂破坏中裂纹位置、裂纹类型以及裂纹面运动方向, 揭示了混凝土宏观拉伸破坏的细观裂纹扩展机制. 结果表明: 裂纹运动过程清晰地显示了混凝土内裂纹源首先在试件与载荷接触面附近产生, 之后聚集形成局部损伤区域, 并沿轴线向中心扩展(加载平面)以及裂纹从试件中间向表面扩展的动态过程(厚度方向); 裂纹运动体积可以作为裂纹形成、扩展过程中弹性能释放的度量, 初始裂纹成核时体积参数较小, 峰值载荷时, 裂纹运动体积最大达到$5.93\times10^{-4}$ mm$^{3}$; 混凝土宏观尺度的拉伸破坏在细观尺度上存在有拉伸裂纹、混合裂纹以及剪切裂纹; 拉伸裂纹最多, 占裂纹总数约为60%, 剪切裂纹最少, 约占裂纹总数的10%; 拉伸裂纹运动主导了试件的宏观劈裂破坏.      

内爆炸载荷作用下7A55铝合金的动态性能及断裂行为

采用圆筒爆炸实验研究了内爆炸载荷作用下7A55铝合金的动态性能,用扫描电镜和光学显微镜 对破裂样品的断口形貌、金相组织等进行了微观分析。结果表明:在本文实验条件下,7A55铝合金能够承受 360MPa的内部爆炸加载;合金的断裂方式为剪切断裂,裂缝与筒壁的径向近似成45角;靠近圆筒内侧组织 中存在剪切变形带、绝热剪切带和裂纹,沿最大剪切应力面向外扩展。     

Measurement of the Distribution of Residual Stresses in Layered Thick-Walled GFRP Pipes

The objective of this study is to measure the axial, circumferential, shear and radial residual stress distributions in three thick-walled glass fibre reinforced plastic (GFRP) filament-wound pipes, two of which are layered. The measurement of residual stresses was carried out using a recently published layer removal method which overcomes the limitations of previous techniques and can be applied to layered anisotropic pipes of any wall thickness. Layers of approximately 0.3 mm thickness were incrementally ground from the outer surface of the pipes. The resulting strains were measured on the inner surfaces. A least-squares polynomial was fitted to each measured data set, and used to calculate the corresponding stress distributions. All of the resulting axial, hoop and shear stress distributions adhere to the requirement of self-equilibrium and the radial stress distributions all vanish to zero at the inner and outer surfaces. The radial stresses of the layered pipes showed a tendency to have two peaks, one for each layer, a consequence of the two-stage manufacturing process of these pipes. The measured axial and hoop stresses of all three pipes were similar at the inner surfaces despite significant differences in the stiffnesses in the principal directions arising from different wind angles.     

内部爆炸作用下多层钢筒的动态响应

为评估内部爆炸作用下多层钢筒结构的防护效果,考察多层钢筒结构动态响应和变形吸能特征,采用两端开口、总厚度为50 mm的4层圆柱形Q345钢筒,在8.90~18.18 kg TNT药量下进行爆炸实验,并在容器外壁进行应变电测。实验后钢筒结构爆心局部发生塑性变形,内层钢筒变形最大,但未发生破坏。根据研究得到初步认识:采用爆心单位环面变形吸能的设计方法,可以较好地预估给定药量下所需钢筒的厚度;不同药量下,轴向距离超过多层钢筒结构的1/4内径后,其外壁环向变形峰值约减小为爆心截面环向应变峰值的1/2。     

Nonlinear transient thermal stress analysis of thick-walled FGM cylinder with temperature-dependent material properties

In this paper, the problem of generalized thermoelasticity in a thick-walled FGM cylinder with one relaxation time is presented. The material properties are taking as function of temperature and graded in the radial. Due to the nonlinearity of the governing equations, finite element method is adopted to solve such problem. Both the inner and outer curved surfaces of the cylinder are stress free while the inner surface is subjected to thermal shock, while the outer surface is thermally isolated. The effects of temperature-dependent properties, volume fraction parameter and the thermal relaxation time on the physical quantities behavior are evaluated. Results confirm the efficiency of the present algorithm and reveal the significant effects of the temperature-dependent of the material properties.     

Radial variation of adiabatic and diabatic spiral vortex flow in a wide annular gap

Transitions occurring after the onset of spiral vortex flow in a wide concentric annular gap of radius ratio 0.8, formed by a stationary outer cylinder and a rotatable inner cylinder, have been studied experimentally. By isothermal heating of the annular surface, it was possible to consider diabatic as well as adiabatic conditions. At an axial Reynolds number of 500 and for a range of Taylor numbers up to 10⁷, power spectra and auto-correlograms were taken at two radial positions near to the inner and outer annular surfaces; these are compared with previous results taken at mid-gap under adiabatic conditions. Measurements of turbulence intensity across the gap were made also. Probability histograms and signal traces for diabatic flow near to the outer annular surface are presented. It has been shown that the vortex transitions affect the thermal boundary layer and, consequently, the heat transfer rates at the outer surface. A positive radial thermal gradient was seen to have little effect on the flow. The imposed axial flow was shown to be stabilising under adiabatic conditions but destabilising under diabatic conditions.     

内爆炸载荷下梯度泡沫铝夹芯管的动态响应

基于3D-Voronoi技术构建了泡沫铝芯层的三维细观有限元模型,对梯度泡沫铝夹芯管在内爆炸载荷下的动态响应进行了数值模拟。分析讨论了夹芯管结构内外管的壁厚、泡沫芯层的相对密度、芯层梯度分布等参数对夹芯管结构的抗爆性能与吸能性能的影响,并与无芯层的双层圆管进行了对比。结果表明:泡沫材料的相对密度可通过改变泡沫胞元大小和胞元壁厚进行调控,利用两种方式构建的夹芯管计算结果一致;保持内、外圆管总质量不变,增大内管壁厚可以有效减小外管的塑性变形,但会影响泡沫芯层的能量耗散;泡沫芯层的填充可以有效降低内管的塑性变形,正梯度泡沫铝夹芯管的抗爆性能优于均匀泡沫及负梯度泡沫夹芯管。