大幅板爆炸焊接界面质量的板幅尺寸效应研究

摘要：由于爆炸焊接工艺过程的特殊性,大幅板爆炸焊接中存在的结合面焊接缺陷问题产生的原因一直未能得到明确揭示,本文利用非线性动力数值模拟,考察了3.5m~7.0m钛钢大幅板爆炸焊接质量问题产生的原因,发现大幅板爆炸焊接过程中复板存在褶皱变形现象,指出褶皱变形的出现与所用板幅尺寸比例密切相关,随着板幅尺寸比例的变化,褶皱变形持续时间、影响范围置以及最大褶皱深度存在规律性变化。     

爆炸焊接基复板间隙中的气体冲击波

通过分析研究爆炸焊接基复板间隙中的气体运动,建立了冲击波传播的理论模型,通过理论分析和计算说明了基复板间存在气体冲击波管道效应。管道效应使复合板尾部在爆炸焊接形成前发生上翘,造成板尾部焊接能量偏大,或使尾部炸药压死,是工程中长大复合板尾部焊接质量降低或失效的主要原因。还通过建立简化模型,分析了复合板宽度、各种保护性气体和粗真空对管道效应的影响,说明了选择爆炸焊接保护气体的原则,进而使用氦气保护进行了钛钢、铝镁爆炸焊接实验验证,为气体保护爆炸焊接、真空爆炸焊接技术的进一步开发研究奠定了理论基础。     

304L/Q235B大面积金属板爆炸焊接物质点法模拟分析

大面积金属板材304L/Q235B的爆炸焊接过程涉及炸药爆轰、金属板材的高速碰撞和塑性变形等。采用有限元法计算模拟这个问题时,网格单元会发生扭曲畸变现象,导致计算精度下降,甚至出现单元负体积而使计算终止,并且炸药爆轰形成气体产物飞散过程也很难模拟。为了能模拟大面积金属板材的爆炸焊接整个过程并获得合理的技术工艺参数,采用物质点法进行三维数值模拟分析。物质点法作为一种无网格法,在模拟冲击动力学问题中主要采用显式积分算法。通过将拉格朗日质点单元与固定的欧拉背景网格相结合,可以实现爆炸焊接的复板与基板的高速碰撞、炸药滑移爆轰、金属板面的塑性变形过程的数值模拟,并给出爆炸复合板材的形变、有效塑性应变和复板与基板的碰撞速度的计算结果。采用物质点法模拟的复合板材变形与爆炸焊接实验结果基本一致。计算复板与基板的碰撞速度这个重要的物理参数时,物质点法与Richter理论公式的相对误差不超过13%。数值计算和实验结果表明,物质点法在数值精度和计算效率方面具有优势,物质点法是研究金属焊接爆炸问题的一种有效数值方法。     

多层金属爆炸焊接复板飞行姿态的计算方法

在两层金属爆炸焊接复板飞行姿态的理论计算基础上，运用质量守恒、动量守恒定理和契特公式推导了多层金属爆炸接复板飞行姿态的理论计算模型，经过实验验证，该计算模型和实验相符合，对于多层金属爆炸焊接工艺参数的设计具有很高的使用价值。     

爆炸复合板边界效应研究

认为引起边界效应的主要因素不仅有炸药和基、复板边界稀疏的影响，而且尚受复板反弹拉伸的作用。设计了不等面积复合板爆炸焊接工艺，超声探伤结果表明，复合板的边界效应极小，满足工程需要。     

浅埋炸药爆炸形貌及其冲击作用效应

为研究浅埋炸药爆炸形貌及其冲击作用效应,提出了一套新型试验工装,通过浅埋砂爆试验,系统探究了浅埋爆炸过程中冲击波的传播、爆炸产物与砂土的喷射轨迹、靶板的变形形貌以及爆炸载荷的空间分布情况。结果表明:浅埋爆炸在空气中产生冲击波,其传播速度大于爆炸产物与砂土的喷射速度;起爆后的爆炸产物与砂土迅速向外喷射,体积随时间不断膨胀,撞击到靶板后向四周扩散;通过特 殊设计的试验工装与靶板,定性得出浅埋砂爆载荷产生的冲量在空间中呈非均匀分布,即中间最大,向四周逐渐减小。对比分析2次不同试验,发现炸药埋深影响爆炸产物和砂土喷射时的相对位置:埋深较小时,爆炸产物会冲破覆盖的砂层,直接作用到靶板;埋深较大时,爆炸产物基本被砂层包覆,随砂土共同作用到靶板;此外,增大炸药埋深会延缓爆炸产物与砂土的喷射时间。砂土的类型直接影响靶板的变形形貌,按北约标准AEP-55配做的砂土不仅使靶板产生整体弯曲变形,还在靶板上形成大量凹坑,产生侵彻效果,而普通的河砂仅使靶板产生整体弯曲变形,无明显的侵彻效果。     

搅拌摩擦焊接残余应力及残余变形数值分析

建立了搅拌摩擦焊接顺序热力耦合有限元模型,用移动热源模拟搅拌头的作用,对搅拌摩擦焊接进行数值模拟.瞬态温度场及残余应力场与试验结果吻合良好,从而验证了该模型的正确性.本文研究了焊接过程中应力变化过程,指出应力场的不均匀分布引起板的弯曲变形.建立了不同尺寸有限元模型,研究板的尺寸对残余变形的影响.板的宽度对纵向残余变形曲率影响较大,长度对变形曲率影响较小.当焊接长度足够长,模型宽度相同时,不同模型远离端部区域纵向弯曲曲率相同.板的横向残余变形主要由焊缝区域变形引起,远离焊缝区域几乎没有弯曲变形发生,且板的尺寸对变形曲率影响很小.     

爆炸法消除焊接接头残余应力的数值模拟

利用非线性动力有限元法对爆炸处理消除焊接接头残余应力的全过程进行了数值模拟。首先，采用温度场与位移场的间接耦合方法计算了钢板对接焊的焊后冷却及残余应力的生成过程，求得焊接接头处由高温冷却到室温由于变形受到阻碍而产生的不均匀的残余塑性变形和应力。然后，在焊缝区引入移动的爆炸载荷，计算了爆炸波作用下该钢板焊接接头附近应力的变化。计算结果表明，爆炸处理可引起板内应力的重新分布，从而有效地释放超过塑性极限的残余应力。利用炸药爆炸消除大型焊接结构残余应力是一种经济有效的方法，本文的数值模拟为研究炸药爆炸消除焊接结构残余应力的机理提供了有力的工具。     

土中爆炸作用下箱涵动力响应的SPH-FE耦合分析

采用SPH 与FE耦合的数值分析技术,SPH 法用于模拟爆破近域土体,FE法用于模拟远场土体 和钢筋混凝土箱涵,研究了土中爆炸作用下钢筋混凝土箱涵的动力响应。研究结果表明:箱涵损伤区域及损 伤程度与土中爆炸位置密切相关;不同爆炸位置下箱涵受力和变形规律存在较大差异,尤其是边墙中间位置, 受土体变形流动影响,爆炸位置的不同会引起明显的二次加载和拉压变化。SPH 与FE耦合分析技术可以满 足土中爆炸对结构物影响问题的计算效率和工程分析要求。     

钛/钢复合板爆炸焊接实验

以3mm 厚的TA2钛板和26mm 厚的正火态Q345R为材料,通过爆炸焊接实验,对钛/钢复合板 爆炸焊接的动态参数进行了研究。结合复合板结合界面特征、复合板结合强度(剪切强度)以及界面波的金相 组织,讨论了钛/钢爆炸焊接时获得高强度结合和规则的界面结合波状形态的条件。对于3mm 厚TA2与 26mm厚正火态Q345R,该条件是动态碰撞角17,动态碰撞速度vp760m/s。根据界面波及基板轧制 金相组织形态,分析了形成界面波的机理,认为射流阻碍复板连续碰撞基板是形成界面波的一个主要原因。     

滑移爆轰问题无网格MPM法数值模拟

利用MPM(material point method)计算方法,以爆炸焊接作为实例,对炸药滑移爆轰过程和金属飞板与基板之间的碰撞变形进行了数值模拟.并将无网格MPM法的数值计算结果与近似解析公式的计算结果进行了比较,二者基本吻合,有力地证明了无网格MPM法在求解爆炸冲击问题中的有效性和健壮性.     

爆炸焊接与相图

在爆炸焊接的过程中,结合区一薄层基体金属,在高温下将发生熔化、熔解或化合。大量的检验结果表明,这种熔体内的化学和物理组成,与对应组元的一般相图内的物理和化学组成相似。这种相似性便为相图在爆炸焊接中的如下应用打下了基础:可以根据相图来估计对应的复合材料中的熔体的组成,估计金属材料之间的爆炸焊接性,估计它们的结合强度,估计后续热加工或热处理对结合性能的影响,从而为爆炸焊接工艺参数和热加工及热处理工艺参数的制订提供理论依据。     

无网格MPM法三维爆炸焊接数值模拟

物质点法MPM(Material Point Method)是无网格方法之一.它是在质点网格法(PIC)基础上发展而来的一种新数值方法,它利用了欧拉法和拉格朗日法两者的优点,计算物质点在冲击载荷下的应力和应交;通过物质点来跟踪材料体的变形和破损,而在整个计算过程中背景网格始终固定不变,避免了重新划分网格.本文应用MPM法计算三维爆炸焊接问题,在爆轰载荷作用下的飞板和基板的金属动态变形过程进行了三维数值模拟,并且对飞板的碰撞点速度和爆轰压力变化进行了计算分析.     

滑移爆轰驱动下飞板运动姿态的连续电阻测试法

飞板运动姿态的测定是爆炸焊接机理研究的基础,针对传统电测方法存在干扰因素多、易产生弯曲波等缺陷,设计了一种适用于野外大当量下爆炸焊接飞板姿态实验的连续电阻测试方法。研制了3种不同结构的梯形支架型连续电阻探针元件,利用有限元程序分析了探针的导通压力和响应时间,在此基础上,对3种探针实施了爆炸焊接实验,实验结果表明:金属丝网型探针元件具有最优的导通效果,各段测试曲线光滑无毛刺。以该探针数据计算获得了待测飞板的运动姿态曲线,并与Richter简化模型下的近似计算公式结果进行了对比,两者基本一致。所述测试方法实现了炸药爆速和飞板变形曲线的连续、可靠和快速测量,为滑移爆轰驱动问题、爆轰产物状态方程等的研究提供了测试方法补充。     

用于柱形爆炸容器周向大变形历程测量的应变丝技术

为了测量柱形爆炸容器的动态周向大变形历程,开发了应变丝测量技术。选用性能良好的合金丝沿爆炸容器周向固定,容器膨胀变形驱动合金丝同步伸长,配合适当的电路,检测合金丝的电阻变化,从而获得容器的变形历程。在钢筒的中心进行了120 g TNT当量球形装药下的爆炸加载实验,获得了峰值超过20%的钢筒周向变形历程。测量结果与实验后钢筒变形实测结果及数值模拟结果吻合较好。     

钢箱内部爆炸破坏的SPH数值模拟

随着恐怖袭击的不断演化,船舶、桥梁等以钢箱为主要支撑的战略性结构逐渐成为恐怖袭击和敌方军事打击的重要目标。本文中采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法对钢箱内部爆炸过程进行了数值模拟,对比实验,分析了钢箱内部爆炸时钢箱表面的变形过程,得到了钢箱表面挠度值的变化趋势、不同时刻钢箱表面压强和von Mises应力的分布情况、钢箱表面中心点处速度和压强的变化趋势,验证了SPH方法在模拟钢箱内部爆炸问题上的有效性。通过进一步数值模拟,探讨了钢箱内部不同位置爆炸时钢箱的破坏形式和损伤程度,结果表明:炸药在钢箱内部角隅处爆炸时,钢箱的损伤程度最严重;炸药在钢箱内部正中心爆炸时,钢箱的损伤程度最轻。     

土中爆炸冲击混凝土道面的数值模拟

炸药在多相介质中的爆炸是气态爆轰产物和固态介质之间的耦合作用问题，对其进行数值模拟一般不考虑炸药而直接将爆轰压力加在介质上，而耦合方法对炸药和其周围的介质进行离散，炸药和介质采用统一的控制方程，通过界面条件实现相互作用。任意拉格朗日欧拉（Arbitary Lagrangian and Eularian）法，是最近兴起的适用于计算固体大变形问题的数值计算方法。将其引入爆炸力学计算，可以避免由于物质的大变形引起的单元畸变和计算困难。同时混凝土的损伤模型，更加符合混凝土在高应变率加载条件下的力学特性和破坏机理。将这三种方法引入数值模拟，计算结果与相关试验结果有较好的吻合。