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。     

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。     

损伤演化对韧性金属碎裂过程的影响

固体在冲击拉伸载荷作用下会断裂成多个碎片,基于线性内聚力断裂假设的Mott-Grady模型能较好地预测碎裂过程所产生的平均碎片尺度的下限。然而实际上,韧性金属的损伤演化是多元化的,为此通过数值模拟方法研究了不同损伤演化规律对韧性碎裂过程的影响。利用ABAQUS/Explicit动态有限元软件数值再现了韧性金属杆（45钢）在高应变率下拉伸碎裂的过程,分析了线性和非线性损伤演化对韧性碎裂过程的影响规律。结果表明:损伤演化规律对韧性金属的碎裂过程具有显著影响,非线性指标α越大,碎裂过程产生的碎片数越少;Grady-Kipp碎裂公式仍能在一定范围内预测韧性碎裂过程中产生的碎片尺寸;当非线性指标α远大于零时,在较低冲击拉伸载荷作用下,数值模拟结果和Grady-Kipp模型预测值偏差较大,随着应变率增大,数值模拟结果与Grady-Kipp模型预测值吻合较好。     

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.      

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150～500 s~(-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。     

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。     

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.      

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.     

深部地下工程岩爆预测的筛选蚁群聚类算法

为了提高仿生聚类算法的计算效率,对传统的蚁群聚类算法进行改进,采用数据合并机制提出了 一种筛选蚁群聚类算法。采用筛选蚁群聚类算法,在岩爆工程实例资料分析的基础上,基于工程类比的思想 判断岩爆的发生状态,提出了一种深部地下工程岩爆预测的新方法。通过多个煤矿深部地下工程岩爆实例的 应用研究证明,和传统的蚁群聚类算法相比,在不显著增加计算难度和复杂度的情况下,新算法对工程实例的 判断准确率更高,其准确率达92%,计算效果更好;而且,计算速度有较大幅度的提高,其计算时间缩短近 40%,说明新算法的计算效率更高。因此,筛选蚁群聚类算法是一种比较实用的岩爆预测新方法,值得在深部 地下工程岩爆研究领域推广应用。     

隔振沟对爆炸塔周边地表振动的影响

对内径2m、壁厚0.4m 的椭球封头爆炸塔进行有、无隔振沟条件下的对比爆炸实验,并监测塔体 周边6个测点的地表竖向及水平方向的振动速度。研究结果表明:地表质点的振动持续时间小于0.2s,竖向 振动频谱在20~500Hz范围内,水平方向振动频谱则在200~800Hz范围内;隔振沟使水平方向振动幅度衰 减至原来的1/10,对竖向振动幅度衰减至原来的1/4~1/3,对地表振动频率无明显影响;爆炸塔隔振沟的深 度为1m 时,对爆炸地震波无任何衰减作用,仅当深度达到1.5~2.0倍瑞利波波长时(5.6~7.5m)才会产 生明显的隔振效果。     

爆炸冲击波对3种建筑玻璃的作用过程

借助ANSYS/LS -DYNA程序,采用ALE方法描述炸药和空气场,采用Lagrange方法描述玻璃,玻璃除考虑拉应力失效外,还增加了切应变失效判据,并给出了针对不同玻璃的建模方法和计算参数。利用建立的模型对爆炸冲击波对钢化夹胶玻璃、普通夹胶玻璃和浮法玻璃3种常用建筑玻璃的作用过程进行了数值模拟。计算结果可较好地反映实验中玻璃出现的冲切破坏现象,发生破坏时的冲击波超压也与实验结果吻合。研究表明,钢化玻璃比普通玻璃具有更强的抗爆性能,夹层玻璃中的PVB能有效地阻止玻璃的飞溅。     

水下爆炸近场非均熵流的特征线差分解法

提出了一种改进的特征线差分方法,根据力学基本方程推导出2族带有熵变修正项的特征线方 程,并将质点迹线方程补充为第3族特征线方程,利用这3个特征线方程可以对水下爆炸冲击波及波后的非 均熵流场进行求解。由于特征线差分法无需引入人工粘性项处理冲击波间断问题,所以减少了人为干预的影 响因素。最后,应用这种改进的特征线法对质量分数比w(TNT)∶w(RDX)=40∶60的TNT/RDX炸药球 的水下爆炸问题进行了数值模拟。在比例距离1R/R04的近场范围内,计算得到的冲击波峰值压力与文 献实验数据的最大相对误差在13.1%以内,进一步证明了这种改进的特征线差分方法的正确性。     

前驱体相对物质的量的变化对氢氧气相爆燃制备纳米SiO2颗粒的影响

以SiCl4为前驱体,以H2 和O2 的混合气体为爆源,通过改变前驱体的相对物质的量,考察前驱体 的相对物质的量对产物的影响。并通过XRF、TEM 和XRD等测量手段对纳米SiO2粉体进行测试分析:通过 XRF对产物进行成分分析,测得所得产物主要由SiO2组成,且纯度达到99.9%以上;由XRD结果得出,生成 的SiO2产物属于典型的不定形结构;由TEM 图片可以得出,生成的产物粒径大小大部分在50~100nm 之 间,且呈圆球状。随着前驱体相对物质的量的增加,所得到的产物粒子逐渐出现粘结,分散性下降,前驱体相 对物质的量应该控制在1.25以内。     

异形传爆药柱的起爆能力

钝感主装药的出现,对引信爆炸序列中的传爆药柱提出了更新的要求,传统的圆柱形传爆药柱很 难适应钝感主装药的可靠引爆要求。因此,本文中综合运用炸药冲击起爆理论、有效装药理论、聚能效应、拐 角效应,设计了异形传爆药柱。利用主装药变组分法和主装药轴向钢凹法研究了异形传爆药柱的起爆能力。 实验结果表明:在相同的条件下,异形传爆药柱的起爆能力强于圆柱形传爆药柱的起爆能力;在其他参数不变 的情况下,异形传爆药柱的起爆能力受面积效应系数的影响,随着面积效应系数的增大,起爆能力增强。设计 的异形传爆药柱能够满足钝感弹药爆炸序列的要求。     

地应力影响下隧洞边墙的爆破振动安全

针对地应力条件下的溪洛渡水电站右岸大跨度导流洞的开挖,依托现场的爆破实验参数,结合LS-DYNA软件,进行了隧洞岩体爆破开挖过程围岩的动态响应计算。分别采用峰值质点振动速度和最大拉应力安全判据确定围岩的爆破损伤范围。计算结果表明,隧洞爆破开挖时,最大峰值质点振速和最大拉应力均出现在洞室边墙中部,因此,爆破损伤在洞室边墙部位最严重。通过对洞室边墙中部的峰值振速和最大拉应力的数值拟合,得到了峰值质点振速和最大拉应力的统计关系,并进行了相关性检验,而且根据所得统计关系,结合实际工程围岩动态抗拉强度准则,提出了控制隧洞围岩爆破损伤的临界峰值质点振动速度。     

M1近似应用于强爆炸火球辐射输运数值模拟

推导了P1近似、Minerbo近似和M1近似模型中Eddington因子和辐射输运方程的最大特征值随各向异性因子的变化关系。采用M1近似模型对1kt TNT当量的强爆炸火球的辐射输运过程进行了数值模拟,给出了火球阵面和冲击波阵面走时,并与已有计算结果进行了比较。结果表明:辐射扩张阶段M1近似下得到的辐射波波速快于P1近似下的计算结果,落后于Minerbo近似下的计算结果,而在冲击波扩张阶段三者计算结果又趋于一致。     

梯度变化对密度梯度蜂窝材料力学性能的影响

为确定一定质量蜂窝材料的密度梯度大小对材料能量吸收性能的影响,基于二维圆环系,通过改 变圆环的壁厚,建立了具有不同密度梯度的二维密度梯度圆环蜂窝材料模型。在此基础上讨论了不同冲击速 度下,密度梯度大小对蜂窝材料能量吸收特性的影响。研究结果表明,对于相对密度从冲击端到固定端递减 的情况,在高速冲击条件下,梯度系数越大,材料单位质量的能量吸收率越高。研究结果可为完善密度梯度 蜂窝材料动力学性能的设计提供参考。     

舰用动爆冲击波记录系统的设计与应用

利用抗恶劣环境的存储测试技术,以单片机和CPLD为主控芯片,设计了一种舰用动爆冲击波记 录系统。系统具备内、外触发功能,采用光纤传输触发信号,提高触发电路的抗干扰能力,确保系统具有同一 时间基准和可靠触发。通过激波管校准实验和舰船实验,系统成功记录了冲击波信号,证明了该系统具有良 好的实用性和可靠性。