惯性对多孔金属材料动态力学行为的影响

 对泡沫金属材料的力学性能已经进行了十分广泛的研究,但在对泡沫金属的应变率效应和惯性效应的研究中,尚存在一些矛盾的结论。为进一步认清惯性在多孔金属动态响应中的作用,用有限元计算方法模拟了二维Voronoi蜂窝的动态压缩行为,得到了不同速度下Voronoi蜂窝的3种变形模式。通过改变基体材料的密度和冲击速度进行“数值实验”,得到了相应“试件”的由冲击面和支撑面得到的宏观平均应力应变曲线和平台应力。根据数值模拟的结果,着重分析了惯性效应的影响。研究发现,惯性并不影响蜂窝的应力应变曲线,但它导致试件中宏观变形不均匀,是平台应力提高的主要原因。     

单晶铜在动态加载下空洞增长的分子动力学研究

冲击载荷下延性材料的损伤是材料中微空洞的产生和长大演化的结果.利用分子动力学模拟 方法对延性金属单晶铜中单个空洞在动态加载下的演化发展进行了研究，得到了空洞增长过 程中的应力分布及空洞增长演化随冲击强度变化的规律.模拟结果表明，动态加载下的前期 压缩过程对后期拉伸应力场作用下的空洞增长演化特征有不可忽视的影响，微空洞增长的阈 值则与单晶实验中层裂强度随拉伸应力作用时间减少而增加的趋势相一致. 关键词： 层裂 分子动力学 动态加载 空洞     

岩石Hopkinson层裂的流形元法模拟

 利用二阶流形元法,通过引入裂纹产生及扩展判据,对冲击载荷作用下岩石Hopkinson动态层裂过程进行了数值模拟,再现了拉伸波作用下Hopkinson层裂过程,计算得到的层裂片厚度和速度等与理论值符合较好,验证了流形元法在模拟冲击载荷作用下材料动态破坏过程方面的有效性和优越性。     

金属蜂窝夹芯结构抗水下冲击性能

为揭示高强度水下爆炸冲击载荷作用下金属夹芯结构的抗冲击性能,在实验室开展小尺寸水下爆炸加载技术对金属蜂窝夹芯结构性能影响的实验研究。基于实验结果,开展了全尺寸数值模拟金属蜂窝夹芯结构在水下冲击载荷作用下的动态响应和抗冲击性能研究。结果表明,数值模拟、实验和理论模型计算的结果具有良好的一致性。由于蜂窝芯材相对密度对夹芯结构能量耗散方式和载荷传递机制的影响,结构动态响应、失效模式以及抗冲击性能随着冲击强度的变化表现出较为明显的不同。通过抗冲击参数分析,建立了反映金属蜂窝夹芯结构抗冲击性能的结构横向变形、固支反力、透射脉冲和塑性能耗随冲击强度和芯材相对密度变化的结构-载荷-性能量化关系。     

爆炸冲击作用下铝蜂窝板失稳研究

基于非线性动力学软件AUTODYN,对铝蜂窝夹芯板在爆炸冲击载荷作用下的失稳过程进行三维数值模拟。通过建立不同参数规格的铝蜂窝夹芯板的实体模型,研究其前、后面板在TNT爆炸冲击作用下的动态响应及塑性阶段的失稳变形。计算结果表明:随着铝蜂窝板前、后面板厚度,夹芯层铝箔高度和厚度的增加,铝蜂窝板在爆炸冲击载荷下的最终残余变形量均明显减小,抵抗变形的能力增强;对于夹芯层胞元形状不同但相对密度相同的铝蜂窝板,因冲击载荷下单轴压缩"惯性效应"差异较小,其面板在爆炸载荷作用下的最终残余变形量差异不大。     

多阶式层级梯度蜂窝结构的共面冲击响应

为改善蜂窝结构共面的力学性能,基于传统六边形蜂窝结构,建立了六边形层级蜂窝结构,并利用层级蜂窝代替传统六边形蜂窝部分胞元层,复合成一种新型多阶式层级梯度蜂窝结构。利用显式动力学有限元方法研究了层级梯度蜂窝的共面在不同冲击速度作用下的冲击响应特性和能量吸收能力。研究结果表明：层级梯度蜂窝的变形模式与塑性坍塌强度和冲击速度有关;层级梯度蜂窝冲击端和固定端在不同冲击速度作用下的名义应力-应变曲线均与其变形模式有关;不同的复合方式会导致层级梯度蜂窝具有不同的平台应力和比吸能,且在高速冲击时其平台应力比传统六边形蜂窝提高45.4%～63.8%,能量吸收提升10.8%～34.1%。相对密度会影响层级梯度蜂窝的能量吸收能力。     

烧结钕铁硼的层裂强度及断裂机理

利用一级气体炮对烧结钕铁硼(Nd-Fe-B)永磁材料进行平板撞击实验,实现一维应变下的层裂;采用激光干涉测速技术,测量样品自由面粒子速度历史,确定了冲击压缩后层裂强度与加载应力的关系。结果表明:加载应力在0.375～2.512 GPa范围内时,层裂强度随着加载应力的增加先增加后减小,存在一个阈值,当加载应力超过该阈值时,材料发生压缩损伤,层裂强度随之减小。通过扫描电子显微镜观察样品断口形貌,发现在冲击载荷下烧结钕铁硼出现明显的穿晶断裂。     

Ta-10W合金压缩力学性能实验研究

利用MTS材料试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置对非退火状态Ta-10W合金进行了准静态和动态压缩实验,给出了材料的静态压缩屈服强度和应变率在700~3 100 s-1范围内的动态压缩应力-应变曲线,并获得了不同应变率下材料的动态屈服强度。通过对实验结果的分析可以发现,非退火状态Ta-10W合金具有较好的韧性,在所进行的实验中试件表面均未出现可见裂纹;试件材料具有较高的静、动态屈服强度,静态屈服强度达到930 MPa,动态屈服强度在1 GPa以上,在所进行的700~3 100 s-1应变率范围内,材料的动态屈服强度随应变率的增加略有提高。     

爆轰驱动铝飞层扰动增长的数值模拟（英文）

建立了研究炸药爆轰驱动条件下金属材料Rayleigh-Taylor不稳定性问题的实验技术和数值模拟方法。利用该实验技术和数值模拟方法研究了炸药爆轰驱动条件下,铝飞层界面Rayleigh-Taylor不稳定性增长规律,数值模拟显示界面扰动振幅以指数规律增长。数值模拟结果和实验定性相符,但是定量相比有较大差别,原因是高压高应变率加载条件下铝的强度增强,而数值模拟时所采用的SG本构模型在这样的加载条件下低估了铝的强度而导致对扰动增长致稳作用不足。然后在数值模拟中,通过改变材料的初始剪切模量和初始屈服强度,发现在一定范围内,初始剪切模量对材料动态屈服强度没有影响,而初始屈服强度增大可以明显提高材料的动态屈服强度,达到抑制扰动增长的目的,表明材料屈服强度主导界面扰动增长。     

纳米多晶铜中冲击波阵面的分子动力学研究

冲击波阵面反映材料在冲击压缩下的弹塑性变形行为以及屈服强度、应变率条件等宏观量, 还与冲击压缩后的强度变化联系. 本文使用分子动力学方法, 模拟研究了冲击压缩下纳米多晶铜中的动态塑性变形过程, 考察了冲击波阵面和弹塑性机理对晶界存在的依赖, 并与纳米多晶铝的冲击压缩进行了比较. 研究发现: 相比晶界对纳米多晶铝的贡献而言, 纳米多晶铜中晶界对冲击波阵面宽度的影响较小; 并且其塑性变形机理主要以不全位错的发射和传播为主, 很少观察到全位错和形变孪晶的出现. 模拟还发现纳米多晶铜的冲击波阵面宽度随着冲击应力的增加而减小, 并得到了冲击波阵面宽度与冲击应力之间的定量反比关系, 该定量关系与他人纳米多晶铜模拟结果相近, 而与粗晶铜的冲击压缩实验结果相差较大.     

爆轰产物驱动飞片运动数值模拟

化爆加载装置是研究材料动态响应特性的重要冲击加载装置之一。如果炸药与飞片直接贴附，将难以获得较低的飞片速度，而且飞片中载荷的上升时间较短。为研究材料在冲击压缩低压状态和准等熵压缩条件下的动态响应特性，对利用爆轰产物经过空气隙驱动飞片运动的加载装置进行了二维数值模拟，获得了一些规律性认识。     

Soda lime玻璃材料中失效波形成和传播研究

 为了研究冲击载荷作用下Soda lime玻璃材料中失效波的形成和传播,通过轻气炮加载平板撞击实验,采用双螺旋锰铜压阻传感器,在一发实验中同时测量4种不同厚度试件背面与有机玻璃背板间界面处的纵向应力时程曲线,根据测量结果得到试件中失效波的传播轨迹。通过改变碰撞速度,对不同加载条件下的失效波形成和传播规律进行了研究,结果表明,Soda lime玻璃材料在冲击作用下产生失效波所需的延迟时间随冲击载荷的增加而减小,失效波传播速度随冲击载荷的增加而增加。最后采用弹性微裂纹统计模型描述冲击载荷作用下Soda lime玻璃的破坏机制,并将模型嵌入LS-DYNA有限元程序中,模拟试件在不同加载条件下的平板碰撞,所得横向应力和自由面粒子速度曲线均可用于表征失效波破坏现象。根据数值模拟结果分析失效波的传播轨迹,与实验测量结果符合较好。     

3D打印梯度Gyroid结构的动态冲击响应

利用ANSYS/LS-DYNA对均匀及梯度Gyroid结构进行准静态与动态压缩数值模拟,分析其应力分布、变形模式、承载能力以及吸能特性。对3D打印的316L不锈钢试样实施了单轴拉伸实验,获取了相应的材料参数,建立了Gyroid结构有限元模型,进而对其动态力学响应进行了数值仿真。结果表明:均匀结构呈现出较均匀的变形模式,梯度结构为低密度端向高密度端传播的逐层变形模式;两种结构均呈现明显的应变率敏感性,且负梯度结构的应变率敏感性最明显;在相同的加载速度下,负梯度结构的吸能效率最高,且具有最低的支撑端应力,是最佳的防护结构。研究结果可为冲击载荷下防护结构的设计选型提供参考。     

低密度开孔Kelvin泡沫大变形数值模拟

正十四面体单元胞结构含有8个正六边形和6个正四边形面，由36根等长度支柱构成。十四面体单元胞结构按体心立方堆积，即构成Kelvin模型，这是一种接近于泡沫真实结构的周期性结构模型。分别基于胞壁材料的线弹性和超弹性材料本构，采用ABAQUS有限元软件模拟了低密度开孔Kelvin泡沫的大变形行为，用以考察单轴拉压载荷作用下泡沫材料的变形机理以及基体材料力学特性对泡沫宏观力学行为的影响。数值计算采用二阶空间Timoshenko梁单元模拟开孔泡沫支柱，建立了满足周期性边界条件的有限元模型。     

准等熵压缩下金属钽的屈服强度分析

 为分析固体材料的准等熵压缩实验数据,引入了率相关本构方程和流体弹塑性模型,建立了考虑材料强度效应的反积分数据处理方法。利用CQ-1.5磁压驱动装置中多晶钽的准等熵压缩实验数据,对钽的屈服强度和流应力进行了反积分数值模拟和分析,计算了钽的拉格朗日声速和应变率分布情况。得到了钽在准等熵压缩过程中样品内部及加载面上压力和速度的分布及演变规律,获得了30 GPa压力下钽的准等熵屈服强度约为1.85 GPa,准等熵弹性屈服极限约为2.9 GPa。此外,计算得到了与Sandia实验室数据高度吻合的应力-应变曲线和准等熵p-V参考线。     

泡沫增强复合材料点阵夹芯梁抗冲击性能

基于考虑分层失效和渐进损伤的三维Hashin失效准则,对复合材料点阵夹芯梁结构及其泡沫增强夹芯结构开展了局部冲击加载下的数值模拟分析,研究了冲击强度及泡沫增强效应对复合材料点阵夹芯梁结构抗冲击性能的影响。通过与实验的对比分析,验证了数值模型的有效性。结果显示,冲击强度的变化对结构的动态响应、失效模式及能量耗散形式都有明显的影响。泡沫增强效应使结构的横向变形响应速度降低,并且随着冲击强度的增加尤为敏感。泡沫芯材的压缩和开裂失效使得结构保持良好的完整性和更低的损伤程度,有效地降低了其他组分的能量吸收比,表明泡沫填充有效地提升了复合材料点阵梁结构在局部冲击载荷作用下的防护效能。     

内凹负泊松比蜂窝结构的面内双轴冲击响应

利用有限元模拟方法研究了内凹负泊松比蜂窝结构的面内双轴冲击响应。用节点扰动方法建立了具有不同规则度的内凹负泊松比蜂窝结构,并将其在不同冲击速度下的变形模态、应力-应变曲线和能量耗散能力与规则蜂窝进行了对比分析。结果表明,冲击速度是内凹蜂窝结构变形模态最主要的影响因素。此外,在双轴冲击下,由于不规则度的引入,延长了应力-应变曲线的平台阶段,抑制了结构的各向异性程度,从而使结构的变形特征从局部密实转向整体密实。在能量吸收能力方面,结构的不规则性导致了密实化阶段的滞后,因此在相同的压缩程度下,其塑性耗散能低于规则模型。     

AD95陶瓷的层裂强度及冲击压缩损伤机理研究

采用激光位移干涉测试技术测量了AD95 陶瓷在一维应变冲击压缩下的自由面或样品/窗口界面粒子速度剖面, 确定了层裂强度及其与加载应力的变化关系, 在此基础上讨论了冲击压缩损伤程度与加载应力的关系. 研究结果表明: AD95陶瓷发生冲击压缩损伤的阈值应力约为3.7 GPa, 小于其雨贡纽弹性极限(HEL, 约5.47 GPa); 小于阈值应力不发生冲击压缩损伤, 层裂强度随加载应力的增加逐渐增大; 大于阈值应力冲击压缩损伤快速发展, 层裂强度迅速降低; 在HEL附近层裂强度降低到零, 丧失了抗拉能力, 表明材料发生了严重的冲击压缩损伤.     

半球头和平头试件的泰勒撞击

为研究不同头型对泰勒(Taylor)撞击载荷的影响,在材料静动态力学性能实验和Taylor撞击实验的基础上进行数值模拟,分析试件在撞击过程中的接触力、速度和外形尺寸等参量的变化历程。结果表明:在相同的撞击速度下,半球头试件的塑性变形程度更大;半球头试件的撞击载荷上升沿变缓,载荷脉冲时间增长,而两种试件的载荷平台段幅值相当。根据实验和数值模拟结果,进一步分析了霍普金森杆测试Taylor撞击载荷历程的适用性。     

泡沫Al压缩形变及能量吸收特征

通过考察两种基体泡沫Al(分别为脆性和塑性)单向压缩应力-应变曲线，探讨了其形变和能量吸收特征及机理，得到了一些与以往不同的研究结果.研究发现，与其他多孔固体材料一样，泡沫Al的压缩形变过程也经历三个区域，即线性弹性区、平台区和致密化区；泡沫Al的吸能本领随屈服强度的提高而增强；在屈服强度相近的情况下，脆性泡沫Al的吸能本领高于塑性泡沫Al；泡沫Al吸能效率峰值对应于较低的应变值(约为0.15—0.25)；吸能效率峰值对基体成分和状态不敏感，随密度增加，吸能效率峰值呈下降趋势. 关键词：