含氦泡辐照老化材料层裂损伤计算方法分析

辐照条件下,一些材料内部产生大量的氦泡等微缺陷,氦泡的大小和数密度随着辐照年限的增长而增长。氦泡分布特征的变化不仅影响材料本身的物理、力学性质,而且直接影响材料层裂损伤演化后期材料破坏颗粒度的分布特征。延性材料的层裂损伤演化过程一般包括孔洞的成核、增长和汇合,但因已有孔洞对新成核孔洞存在抑制作用,当初始孔洞数密度达到一定临界值时,材料内部没有新的孔洞成核,因此,层裂损伤的计算可以不考虑新孔洞成核的影响。本文中基于损伤早期演化的特征,给出了这一临界值的计算方法,并进一步探讨了含氦泡辐照老化钚材料层裂损伤的计算方法。同时,在完善孔洞增长(void growth, VG)层裂损伤模型中参数的确定方法的基础上,借助含氦泡常规铝材料的层裂实验结果,对此问题进行了定性的分析：在氦泡尺寸变化不大的情况下,当氦泡浓度低于临界氦泡浓度时,需要考虑初始氦泡以及新增孔洞的综合影响;反之,可以采用简单的层裂损伤模型,不需要计算孔洞成核,但由于增长孔洞之间的相互影响,损伤模型的初始损伤参数需要重新确定。     

延性材料层裂的数值模拟

本文对Carroll,Holt和Johnson提出的延性材料简化模型进行了改进,在模型中考虑了材料的硬化,用数值方法模拟了高速碰撞中铝板和钢板的层裂过程,其结果与实验吻合较好。     

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。     

45钢层裂研究

对４５钢进行了层裂实验，对软回收试件进行了显微金相观测，观察了材料中微损伤的形核、增和聚合机制。将文献［３］中的动态损伤模型编入一维Ｌａｇｒａｎｇｅ有限差分动力学程序，对层裂实验进行了数值模拟，计算结果与实验吻合较好。     

无钴合金钢的层裂断裂及数值模拟研究

利用一级轻气炮作为加载手段,对无钴合金钢的层裂特性进行了研究,获得了Hugoniot弹性极限、层裂强度、层裂片厚度以及塑性应变率等动力学参数。对回收的样品进行了断口分析和金相分析,从宏微观角度分析了无钴合金在不同应变率下的断裂机制。利用LS-DYNA有限元程序对层裂现象进行了数值模拟,计算结果与实验结果基本吻合。     

无氧铜层裂的实验与数值研究

利用一级气体炮对国产的无氧铜（OFHC）进行了平板撞击致层裂实验,3 mm厚的OFHC飞片撞击6 mm厚的OFHC靶,采用锰铜应力计记录试样/有机玻璃（PMMA）界面附近的应力历史,获得试样发生层裂的信息。软回收试样,观测回收试样的层裂片。采用基于空穴聚集的层裂模型,数值模拟这些平板撞击致层裂实验。数值模拟的应力剖面以及试样层裂片厚度与实验结果基本一致。此外,对于国外相关的OFHC层裂实验,采用基于空穴聚集的层裂模型也作了相应的数值模拟,并进行了比较。     

混凝土层裂强度测量的新方法

提出了利用Hopkionson压杆测量混凝土层裂强度的新实验方法:用高聚物材料取代传统的金属材料透射杆,混凝土试件为细长杆,由于高聚物波阻抗比混凝土小,试件中压缩波在试件/吸收杆界面反射后形成拉伸波使试件产生层裂破坏,通过吸收杆上透射波形可以确定混凝土层裂强度。由于波在粘弹性材料中的弥散效应,吸收杆中透射波形会发生变化,但三维有限元分析表明,在利用吸收杆上透射波确定混凝土层裂强度时弥散产生的影响可以忽略。按照一维特征线理论,可以由吸收杆上的应变波形确定出混凝土材料的层裂强度。     

层裂微裂纹的形态及层裂程度的表征参量

层裂是冲击载荷造成材料破坏的一种典型方式。文中运用超声Ｃ扫描检测系统对层裂试件的微损伤形态进行检测，确是出在一维应变加载条件下的微裂纹形态呈钱币型；另一方面，根据钱币型微纹形态，通过对层裂损伤演化过程的分析，提出了一个描述层裂程度的无量纲参量，与层裂实验数据的对比说明了这个参量能够很好地描述层裂损伤程度。     

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。     

滑移爆轰驱动钢管的层裂

将VG损伤模型推广到二维情况,考虑了最大主应力方向对损伤演化的影响,并使用显式断裂算法对20钢管在GI-920炸药滑移爆轰驱动下层裂的问题进行二维数值模拟。分析了一维内爆和滑移爆轰两种加载方式下作用于钢管外表面的压力及钢管内部受力状态的区别,考察了滑移爆轰加载方式下钢管外表面的受力随炸药厚度变化的规律,进而研究了钢管内损伤的分布和演化,以及裂纹的产生和扩展现象。计算得到的层裂片初始厚度随炸药厚度的变化规律与实验结果符合较好。     

晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响

采用不同热处理工艺制备了3种晶粒尺寸（60、100、500 μm）的高纯铝板材,利用平板撞击实验研究了其层裂行为。通过改变飞片击靶速度,在靶板中实现初始层裂状态和完全层裂状态。基于自由面速度时程曲线和微损伤演化及断口显微形貌分析,讨论了晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响规律。实验结果显示:（1）晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响强烈依赖于冲击加载应力幅值,在低应力条件下,层裂强度与晶粒尺寸之间表现出反Hall-Petch关系,而在高应力条件下,晶粒尺寸对层裂强度几乎没有影响;（2）随着晶粒尺寸的增大,靶板损伤区微孔洞的尺寸和分布范围均增大,但数量显著减少,在微孔洞周围还发现比较严重的晶粒细化现象;（3）随着晶粒尺寸的增大,层裂微观机制从韧性沿晶断裂向准脆性沿晶断裂转变,且在断口上观察到少量随机分布的小圆球,归因于微孔洞长大和聚集过程中严重塑性变形引起的热效应。     

预应力对LY12铝层裂强度的影响

通过过盈配合的热装配方法和机械夹紧方法对LY12铝合金平面样品施加了径向预应变,采用平面飞片撞击方法获得了预应力对层裂特性的影响。结果表明:当飞片以500 m/s的速度撞击样品,预应变为0（无预应变）、25110-6、1 10810-6、1 88610-6时,层裂强度分别为1.130、0.935、0.755、0.643 GPa,初始预应力（变）明显降低了LY12铝层裂强度,证实了材料的层裂强度与初始应力状态密切相关,可为以后的非一维平面应变下的层裂研究提供参考。     

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。     

爆炸荷载作用下方形夹芯板动力学响应与优化设计数值分析

为研究方形蜂窝铝板在爆炸荷载作用下的动力学响应,基于LS-DYNA非线性有限元软件,建立了TNT炸药-前后面板-蜂窝夹芯-空气的三维有限元模型。采用ALE(任意的拉格朗日欧拉)多物质流固耦合算法分析了蜂窝铝板在冲击荷载作用下的变形机理、塑性变形、能量吸收以及结构的优化。数值模拟结果表明:随着面板厚度、核心高度的增加,蜂窝铝板在冲击荷载作用下的塑性变形明显减小,抵抗变形的能力增强;随着爆轰入射角度的增加,结构的破坏程度有所减小,入射角越大这种效果越发明显。对结构给定边长和受冲击面积以及面板厚度配合比、夹芯量纲为一的高度进行了局部的优化分析,为设计优质铝蜂窝板提供参考。     

铀铌合金层裂行为的数值模拟

采用一种唯象模型来模拟铀铌合金在高应变率条件下的变形行为,该模型包括了材料的非线性弹性（状态方程）、率相关塑性和孔洞的形核及生长等多种效应。并且采用一种对角隐式Runge-Kuta方法来求解本构率方程组,提高了热粘塑性本构关系计算的稳定性及精度。对D.L.Tonks等的铀铌合金平板撞击实验进行了数值模拟,并将计算结果同文献中的实验和数值模拟结果进行了比较。结果表明,本文的计算结果比文献中的数值模拟结果更接近有关实验数据。     

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。     

冲击波和气泡作用下舰船结构动态响应的数值模拟

针对水下爆炸载荷、瞬态流固耦合效应在舰船水下爆炸数值模拟中的困难,在现有水下爆炸载荷计算模型(Geers and Hunter)的基础上,结合边界元法,修正水下爆炸气泡载荷计算方法.针对用二阶双渐近法(the second-order doubly-asymptotic approximation,DAA2)在处理低频...     

泡沫铝子弹高速撞击下铝基复合泡沫夹层板的动态响应

应用一级轻气炮驱动泡沫铝弹丸高速撞击加载技术,对实心钢板以及前/后面板为Q235钢板、芯层分别为铝基复合泡沫和普通泡沫铝的夹层板结构,在脉冲载荷作用下的动态力学响应进行实验研究。结果表明:泡沫铝子弹高速撞击靶板可近似模拟爆炸载荷效果;铝基复合泡沫夹层板的变形分为芯层压缩和整体变形两个阶段;与其他靶板相比,铝基复合泡沫夹层板的抗冲击性能最优。基于实验研究,应用LS-DYNA非线性动力有限元软件,对泡沫铝夹层板的动态响应进行数值模拟。结果表明:泡沫铝子弹的长度和初始速度对子弹与夹层板之间的接触作用力影响显著,并且呈线性关系。泡沫芯层强度对等质量及等厚度夹层板的抗冲击性能均有显著影响,夹层板中心挠度对前、后面板的厚度匹配较为敏感,在临界范围内,若背板厚度大于面板厚度,可减小夹层板的最终挠度。夹层板面板宜采用刚度较低、延性好、拉伸破坏应变较大的金属材料。     

爆轰波管中铝粉尘爆轰的数值模拟

用两相流模型对爆轰波管中的铝粉尘的爆轰波进行了研究。模型考虑了气体和颗粒两相间速度和温度的不同及由于管壁引起的对流热传导和粘性引起的耗散,考虑了由于铝颗粒表面粗糙使得表面积增加的因素。铝颗粒的点火判据使用了新的判据,即铝颗粒在激波后的气流中温度达到铝的熔点且铝全部熔化即被点火。数值模拟了内径为15.2cm的爆轰波管中铝粉尘中爆轰波的传播和发展,得到了爆轰波速度及铝颗粒点火距离,还得到了爆轰流场中物理量的分布。从前导激波面到CJ面处,两相间的速度和温度有明显的差别。还考虑了粒子由于粗糙引起的表面积增加对爆轰波的影响,这个因素对铝颗粒的点火距离的影响较大,对这里计算的铝粉尘爆轰波的速度基本没有影响。结果表明,两相流模型可以较好地描述铝粉尘的爆轰过程,得到具有很粗糙表面、平均粒子直径为3.4m的铝粉尘浓度为304g/m3时爆轰波的速度为1.63km/s,点火距离为3mm,与实验值符合较好。