延性金属层裂模型比较

在平面一维弹塑性流动有限差分计算程序中加入4种延性金属层裂模型,对平板撞击层裂实验进行数值模拟。结果表明：简单最大拉伸应力模型和简单损伤累积模型能定性反映层裂的物理现象,由于忽略损伤对本构的影响,计算结果和实验有偏差,但模型要求参数较少,对于一些精度要求不是很高的工程问题,可以采用;从材料损伤断裂物理本质出发,采用微损伤统计方法得到的NAG模型和封加波损伤度函数模型,能很好地再现实测的自由面速度剖面,数值计算结果与实验吻合很好。     

韧性材料在强动载作用下的损伤演化

采用细观动力学分析方法在高加载率条件下得到了孔洞的动态增长模型。模型考虑了应变率效率、惯性效应和热效应对孔洞增长的影响，给出了孔洞增长的应力临界值表达式。模型的数值分析表明：初始温度Ｔ０对应力临界值Ｐｃｒｉｔ有较大影响；在高应变率条件下惯性和热效应对韧性孔洞动态增长有明显的影响，惯性表现为对孔洞增长的阻碍作用，而热效应应则表现为对孔洞增长的促进作用，数值分析还表明，在低应变率条件下惯性效应可以忽略     

平面碰撞与强激光加载下金属铝的层裂行为

在轻气炮和神光Ⅱ强激光装置上开展了金属铝的层裂实验。针对激光打靶层裂实验中样品自由面速度剖面后期振荡容易丢失问题,改进靶设计,获得很好效果。利用轻气炮加载和强激光加载层裂实验应变率的显著差异,并通过数值模拟,讨论了在建立具有预测能力的理论建模中需要关注的损伤成核、演化与汇合问题中的材料特性与应变率相关特性因素。结果表明,对于我们以前建立的动态损伤与断裂模型,微孔洞成核的平均半径、阈值压力、成核速率相关参数以及微孔洞长大的阈值压力等具有材料特性属性,但微孔洞的表面能以及决定材料发生完全层裂的临界损伤度等具有明显的应变率效应。另外,分析还发现,虽然层裂强度具有明显的应变率效应,但是在样品层裂当地,样品由持续拉伸向收缩转变的临界行为,取决于一个很小的临界损伤,这个临界值很可能是材料常数,与应变率无关。     

层裂损伤的细观数值分析

采用体胞模型的分析方法推导了材料在弹塑性变形阶段的孔洞增长方程。假设所有孔洞的内外半径之比相同,用数值方法定性分析了材料在层裂损伤过程中孔洞数密度分布的变化。通过分析孔洞数密度分布、孔洞体积累积百分比、不同大小孔洞所占体积份额的计算结果,指出初始损伤对损伤演化有直接影响。     

一种基于空穴聚集的层裂模型

基于如下假设,给出了层裂过程中的应力松弛方程,并建立了一种基于空穴聚集的延性层裂模型：在层裂早期,微空穴的主要效应是减小应力作用面积;在层裂后期,应力按空穴聚集时的应力-空隙度依赖关系减小。把P.F.Thomason、D.L.Tonks等及S.Cochran等给出的依赖于应力（压力）的层裂空隙度方程分别耦合于守恒方程、计及损伤的状态方程及本构方程,建立了求解所有变量包括损伤的封闭方程组。这种基于空穴聚集的层裂模型已被应用于一维层裂试验的数值模拟。模型中的层裂强度及临界损伤度初始可以估计,最终的确定将使数值模拟结果与实测的速度（或应力）剖面以及观测的层裂面上的损伤基本一致。分别基于D.L.Tonk等及S.Cochran等给出的依赖于压力的层裂空隙度方程所作的一维层裂试验数值模拟结果基本一致,而与基于P.F.Thomason给出的依赖于应力的层裂空隙度方程所作的相应数值模拟结果有明显差异。     

三角波强加载下延性金属多次层裂破坏问题

基于应力瞬时断裂判据和Tuler-Butcher损伤累积判据,分析了没有升压的简单三角波强加载下延性金属的多次层裂破坏问题。分析结果显示:层裂片的厚度随着冲击波宽度与强度的比值的增大而增大,材料的破坏深度小于冲击波宽度的一半;在强冲击加载下,材料的破坏深度约为冲击波宽度的一半。     

动态延性损伤的细观力学研究现状

本文从细观理论、率相关弹塑性本构、层裂实验及数值模拟等几个方面综述、评价了延性动态损伤的细观力学研究现状,结合以上工作,指出了今后材料动态延性损伤、断裂的细观力学研究应进一步开展工作的７个研究方向。     

一维应变条件下金属层裂的实验研究

材料的层裂是由两个相向的拉伸应力作用引起材料断裂的一种现象，是一个被普遍关注的力学问题。本文中主要对层裂研究的意义、历史和现状，一维应变条件下层裂的原因、表征、加载方式及测试技术等问题进行了综述，并讨论了影响层裂强度的几种主要因素。     

改进SPH方法在陶瓷材料层裂数值模拟中的应用

为了探讨铝飞片撞击陶瓷材料时的层裂现象,采用改进SPH方法模拟应力波在陶瓷材料中的传播。结果表明,当离散粒子分布不均匀时,数值模拟计算的自由面速度时程曲线与实测曲线吻合良好。对比CSPM方法,改进SPH方法的精度更高。提出适用于数值模拟的陶瓷材料损伤演化方程,对脉冲载荷下陶瓷/钢层合板层裂的破坏过程进行数值模拟,结果表明,由于陶瓷的波阻抗高于钢的,且抗压强度远高于抗拉强度,因此拉应力引起的层裂破坏是主要的。即使在材料内部传播的只是弹性压缩波,当弹性波到达材料界面时,由界面反射引起的卸载波也能导致陶瓷发生层裂破坏。     

拉伸应变率对20钢层裂特性的影响

采用轻气炮加载技术和激光速度干涉(VISAR)测速技术相结合,对不同拉伸应变率条件下20钢的层裂特性进行了实验研究。通过改变飞片和样品的几何尺寸来调整拉伸应变率的大小,研究了拉伸应变率对20钢层裂强度的影响。实验的拉伸应变率的变化范围为104~106 s-1,最大拉伸应变率接近激光加载所能产生的拉伸应变率,相比激光加载,薄飞片技术容易保证一维应变条件。实验结果显示20钢的层裂特性明显依赖着拉伸应变率的大小,106 s-1条件下层裂强度比104 s-1时提高近70%。基于对数值计算结果的分析,讨论了影响层裂强度的主要外载荷因素。     

强动载荷下钢筋混凝土结构计算模型简评

针对侵彻、爆炸等强动载作用下混凝土类结构计算中涉及的状态方程、变形破坏弹塑性本构关系与强度准则等关键问题,根据混凝土多组分特征,简述考虑介质中孔隙压缩的状态模型及弹塑性变形破坏中动态损伤演化模型,并在计算实验方法的基础上,给出需要进一步研究的建议。     

动载荷下延性材料中微孔洞的增长模型

采用细观动力学的方法,假定基体材料不可压缩,将高加载条件下控制孔洞增长的偏微分方程组化为一阶常微分方程组,从而可利用Euler法或Runge Kutta法求解。模型的数值分析表明,对OFHC铜来说,应变硬化效应、应变率效应阻碍了孔洞的增长,热效应对孔洞增长影响不大,而环境温度的升高促进了孔洞的增长。     

内爆炸加载条件下圆筒的膨胀、破裂规律研究

以经典热粘塑性本构关系 (John Cook本构关系和Powerlaw本构关系 )为基础 ,建立了更适当表征材料特征的新的、解耦的本构关系。采用SHPB(分离式霍普金森杆 )技术测定了常用弹箭材料 35CrMnSiA的不同应变率下的应力、应变关系 ,并采用拟合的方法确定了本构方程中的材料常数。与高速摄影技术测得的径向位移函数及圆筒材料的损伤演化方程相结合 ,建立了控制内爆炸加载圆筒膨胀 ,直至破裂的完备方程组 ,完成了内爆炸加载圆筒问题的数值模拟 ,计算结果与以往有关箭弹材料圆筒膨胀的实验结果符合较好。     

Damage evolution of ductile material under impact loading

Nucleation, growth and coalescence of micro-voids result in the fracture of materials. Most mathematical models neglect nucleation and introduce initial damage, assuming it as a material constant. However, the original damage, which is formed during material working, is a material constant. The initial damage is a model parameter and depends on the load. Apparently, the predictability of such a model is poor.This paper made comparison and analysis of the four classical void growth models and showed their similarities. At the beginning of damage evolution, all the models follow a linear relationship in the form , where c is the size of micro voids and k is a parameter which relates the material and loading condition. With the concept of statistical micro-damage and the assumption of uniform void radius for new voids, a damage evolution equation was deduced based on the above void growth model. With this equation the effects of nucleation and growth at the beginning of the damage stage on the whole process of damage evolution can be calculated. The transition time from the nucleation dominant phase to the growth dominant phase can be determined. When the transition time is applied to the damage failure model of ductile material proposed by Johnson, the initial damage (f₀), a model parameter in the original model, can also be determined. The results of the derived damage evolution equation agree well with the previous research results.     

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。     

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。

     

撞击载荷下泡沫铝夹层板的动力响应

应用泡沫金属子弹撞击加载的方式研究了固支方形夹层板和等质量实体板的动力响应,分别应用激光测速装置和位移传感器测量了泡沫子弹的撞击速度和后面板中心点的位移历史,给出了夹层板的变形与失效模式,研究了子弹冲量、面板厚度、泡沫芯层厚度及芯层密度对夹层板抗撞击性能的影响。结果表明,后面板中心点挠度最大,周边最小,整体变形为穹形,且伴有花瓣形的变形。参数研究表明,通过增加面板厚度或芯层厚度均能有效控制后面板的挠度,改善夹层板的能量吸收能力,结构响应对子弹冲量和芯层密度比较敏感。实验结果对多孔金属夹层结构的优化设计具有一定的参考价值。 更多还原     

爆轰加载下金属锡层裂破碎数值模拟

对爆轰加载下低熔点金属锡的层裂破碎问题开展了数值模拟。在利用实验数据对所采用数值方法和材料模型开展对比验证的基础上,通过对样品内部物理量时间及空间分布演化对比分析,剖析了冲击加-卸载中样品内部应力波与材料相互作用过程。此外,通过对比分析不同厚度锡样品在爆轰加载下的动态行为特征,进一步认识了自由面反射稀疏波、边侧稀疏波和入射稀疏波共同作用下层裂破碎演化机制。结果表明,当样品较薄时,层裂破碎行为由反射稀疏波主导;随着样品厚度的增大,反射稀疏波主导区缩小,入射稀疏波和边侧稀疏波主导区逐渐增大。