金属材料层裂破坏的内聚力模型

本文把内聚力单元嵌入到连续介质有限元单元之间,构建了一个层裂破坏的内聚力模型,以计及层裂破坏过程中能量耗散行为。采用该模型对平板撞击条件下的20号钢层裂实验进行了数值模拟研究,重点讨论了内聚力模型特征参数对计算结果的影响规律。研究结果表明采用指数型损伤演化行为的内聚力模型可以较好地描述弹塑性材料层裂破坏过程中的非线性能量耗散行为。利用一发实测自由面速度波剖面对计算结果进行对比校准,可确定内聚力模型特征参数。该特征参数可同样成功地预示不同撞击速度下的层裂实验,获得的模拟曲线与实验曲线之间符合程度很好,特别是自由面速度“回跳”后波形振荡周期和幅值与实验结果非常接近。这表明了内聚力模型在描述层裂过程中能量耗散行为方面具有较好适用性,并且不难由简单实验标定相关的特征参数。     

靶板在爆炸成型弹丸垂直侵彻下的层裂

为了准确掌握靶板层裂过程和规律，基于波动力学和基本假设，建立了爆炸成型弹丸（explosively formed projectile，EFP）垂直侵彻有限厚靶板时层裂的力学模型，得到了层裂点的表达式。研究结果表明:EFP速度为1 800 m/s、靶板厚度从35 mm增大到60 mm时，靶板背面弯月形层裂区厚度不断增大，弯月形层裂区长度不断减小；靶板厚度保持40 mm不变、EFP速度从1 600 m/s增大到1 900 m/s时，靶板背面层裂区厚度不断减小，弯月形层裂区长度不断增大。开展了EFP侵彻40 mm厚装甲钢靶板的实验，将实验结果和理论计算结果进行对比分析，两者吻合较好。     

骨料尺寸对混凝土层裂强度的影响

作为混凝土材料的主要组成部分,骨料对混凝土力学性能具有重要影响.但骨料尺寸对混凝土层裂强度的影响仍缺少研究.本文利用大直径Hopkinson杆对混凝土细长杆件进行层裂实验,通过放置在试件后方吸收杆上的波形测量混凝土层裂强度.对两种不同尺寸骨料的混凝土进行了不同冲击速度下的层裂实验研究.实验结果表明,在相同加载条件下,骨...     

延性金属层裂自由面速度曲线特征多尺度模拟研究

以延性金属钽为研究对象,对钽在平板撞击下的层裂行为进行了多尺度下的数值模拟研究,从微观视角对自由面速度曲线上的典型特征进行了新的解读。在宏观尺度,对比分析了光滑粒子流体动力学法（smootfied particle hydrodynamics, SPH）与Lagrange网格法以及几种本构模型的模拟结果及其适用性。通过与实验数据的对比表明,Steinberg-Cochran-Guinan本构模型在层裂模拟中与实验数据吻合较好,通过改变加载条件获得了不同应变率下的自由面速度曲线,分析了不同应变率下的自由面速度曲线中的典型特征。在微观尺度,采用分子动力学方法获得层裂区域内损伤演化情况,揭示了宏观尺度自由面速度曲线典型特征所蕴含的物理内涵。分析表明,层裂表现为材料内部微孔洞形核、长大和聚集的损伤演化过程,自由面速度曲线上的典型特征与层裂区域的损伤演化过程存在密切关联。Pullback信号是层裂区域内微孔洞形核的宏观表征;自由面速度曲线的下降幅值在一定程度上反映了微孔洞的形核条件,由此计算得到的层裂强度实际上是微孔洞的形核强度。此外,Pullback信号后的速度回跳速率反映了微损伤演化的速率。     

预制缺陷的K9玻璃层裂特性研究

层裂问题的核心内容是内部微细观损伤成核及演化规律研究. 利用激光内刻方法, 在K9玻璃样品内部预制相互贯通的初始损伤, 结合火炮加载平板实验和多点DPS测试获得样品自由面粒子速度, 以研究材料内部损伤的动态实时演化过程. 通过所获得的样品自由面粒子速度图像, 分析了层裂振荡周期、未层裂信号和层裂强度等实验现象, 为材料的动态损伤演化过程提供了一些新的认识.      

低相变阈值金属高压加载下的相变层裂特性

采用激光速度干涉仪（VISAR）和X光联合测试技术,在冲击压力远高于相变应力加载下,实验研究低相变阈值金属FeMnNi合金的相变层裂特性,结果发现等厚对称碰撞加载下FeMnNi合金出现反常的层裂行为。针对该反常的层裂行为,利用塑性波、相变波、稀疏波和逆相变引发的稀疏冲击波的相互作用过程进行分析,结果表明,该实验状态下FeMnNi合金样品存在相变和逆相变行为,逆相变引发的稀疏冲击波是导致反常层裂行为的主要因素。     

混凝土一维应力层裂实验的全场DIC分析

基于74mm直径分离式Hopkinson杆(SHPB)实验平台进行了混凝土杆的一维应力层裂实验.采用超高速相机(采样频率:2 $\mu$s/frame)结合数字图像相关法(DIC),记录混凝土试件中的动态位移场实时变化情况,探讨了混凝土在拉伸断裂过程中的表面位移场及速度场演化规律.针对实验中出现的多重层裂现象,基于一维应力波传播理论,指出各个位置在发生层裂时,其最大拉应力均由透射压缩波与反射拉伸波叠加而成,各处层裂发生时均处于一维应力状态.并提出了根据层裂位置左右两点速度趋势变化判断层裂发生时刻的判据.该判据可以给出所有层裂的起裂时间,结合DIC分析直接给出了混凝土多重层裂应变.结果显示混凝土的拉伸强度具有明显的应变率效应,在30 s$^{-1}$的应变率下,其拉伸强度的动态增强因子(DIF)可以达到5.与传统的波叠加法和自由面速度回跳法相比,DIC全场分析法不受加载波形限制,可以精确给出每个层裂的位置和起裂时间,从而得到试件在高应变率加载下不同位置处的断裂应变、拉伸强度及相应应变率,提高了测量效率.      

混凝土材料的层裂特性

利用Hopkinson压杆作为实验设备,通过试件后面吸收杆上应变波形研究了混凝土材料的层裂特性。不同强度混凝土在不同加载率下的实验结果表明,混凝土层裂强度与其压缩强度以及加载速率有关,给出了层裂强度和压缩强度以及加载率之间关系的经验公式,并指出不同加载速度下混凝土裂纹扩展方式不同是层裂强度率效应的主要原因。加载压缩波损伤的影响、重复加载实验以及多次层裂的顺序都表明,损伤对混凝土的层裂过程有重要影响。     

混凝土一维应力层裂实验的全场DIC分析

基于74 mm直径分离式Hopkinson杆(SHPB)实验平台进行了混凝土杆的一维应力层裂实验.采用超高速相机(采样频率:2μs/frame)结合数字图像相关法(DIC),记录混凝土试件中的动态位移场实时变化情况,探讨了混凝土在拉伸断裂过程中的表面位移场及速度场演化规律.针对实验中出现的多重层裂现象,基于一维应力波传播理论,指出各个位置在发生层裂时,其最大拉应力均由透射压缩波与反射拉伸波叠加而成,各处层裂发生时均处于一维应力状态.并提出了根据层裂位置左右两点速度趋势变化判断层裂发生时刻的判据.该判据可以给出所有层裂的起裂时间,结合DIC分析直接给出了混凝土多重层裂应变.结果显示混凝土的拉伸强度具有明显的应变率效应,在30 s~(-1)的应变率下,其拉伸强度的动态增强因子(DIF)可以达到5.与传统的波叠加法和自由面速度回跳法相比,DIC全场分析法不受加载波形限制,可以精确给出每个层裂的位置和起裂时间,从而得到试件在高应变率加载下不同位置处的断裂应变、拉伸强度及相应应变率,提高了测量效率.     

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。     

纯铜—维动态损伤研究

在Johnson方法的基础上,本文采用细观方法提出了一个延性材料动态损伤模型.模型中考虑了材料的硬化、应变率效应和惯性效应.同时进行了纯铜一维层裂实验,对软回收试件进行了显微金相和定量金相分析,观察到了一些有意义的力学现象.利用一维Lagrange 有限差分动力学程序,采用本文提出的损伤模型对纯铜的层裂过程进行了数值模拟,得到了比较满意的结果.     

延性材料动态断裂的实验研究和数值分析

本文对延性材料纯铜和ＬＹ１２铝合金进行了层裂实验，对软回收试件进行了仔细的定量和显微金相观测，观察到了两种材料中不同微损伤的形核、增长和聚合机制，为理论分析提供了真实的实验结果。将文〔４〕提出的延性动态损伤模型编入了一维Ｌａｇｒａｎｇｅ有限差分动力学程序，对两组层裂实验进行了数值模拟，计算结果与实验吻合较好。     

EXPERIMENTAL STUDY AND NUMERICAL ANALYSIS OF DYNAMIC FRACTURE IN DUCTILE SOLIDS

Spall tests in pure copper and LY12 aluminum alloy are performed. Themechanism of the nucleation, growth and coalescence of micro-voids is observed bymeans of microscopic observation of the recovered specimens. The model presented inRef. [4] is incorporated in a hydrodynamic one-dimensional finite-difference computercode to simulate the processes of spallation in pure copper and LY12 aluminum alloyspecimens. This model can satisfactorily describe the processes of spallation.     

An experimental study of spallation criterion in phenolic-resin based woven roving glass fibre reinforced composite material

An experimental study of spallation in phenolic-resin based woven roving glass fibre reinforced composite material under uniaxial strain condition is reported in this paper. Experiments were carried out with a 101 mm bore single-stage light gas gun. The stress waves induced by plate impact propagate along the normal to glass fibre mats. The experiments show that the threshold of incipient spallation in this material depends strongly on the duration of stress wave and that this incipient spallation appears essentially in one layer. The criterion of spallation in this material given in this paper is in good agreement with experimental results. Besides, the spallation in phenolic-resin based obliquely laminated woven roving glass fibre reinforced composite material is also discussed in this paper.     

FeMnNi合金的冲击相变和层裂特性的实验研究

对FeMnNi合金进行了轻气炮平板撞击实验研究,实验中材料发生了相变和层裂。得到的FeMnNi合金的相变阈值压力为6.3~6.9 GPa,远低于纯铁的相变阈值压力13 GPa,说明Mn、Ni合金元素的加入会极大的降低相变阈值。回收试样观测表明,当应力高于FeMnNi合金的相变阈值时,样品中可能产生二次层裂现象和浅表层裂新现象。实验结果还表明该合金相变后层裂强度没有明显的提高。     

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。     

爆炸载荷下钢板层裂的二维数值计算

采用二维有限元方法对爆炸载荷下钢板的层裂问题进行数值模拟计算。计算中引入了一种普适的弹塑性本构方程,并采用了损伤积累准则和半解耦的损伤本构模型。结果表明,二维计算的主裂片厚度略小于一维计算,裂片飞散速度要比一维计算低得多,更接近实际结果。     

A study on one-dimensional dynamic damage in pure copper

Based on meso-damage mechanics, a model of dynamic ductile damage under tensile stress is developed, in which work-hardening behavior, rate-dependent contribution and inertial effects are taken into account. Plate-impact test on pure copper under one-dimensional plane strain condition is conducted. Some significant mechanical phenomena are observed by means of microscopic observations of the spalled specimen. The mathematical model presented in this paper is incorporated in a hydrodynamic one-dimensional finite-difference computer code, to simulate the process of spallation in pure copper sample. Comparison of numerical calculations and experimental results shows that the model can describe spall damage successfully.