冲击压缩下非均质脆性固体的弛豫破坏研究

通过平板冲击实验研究了富含微缺陷的非均质脆性固体的冲击压缩响应特性.选取“强角闪石化橄榄二辉岩”作为样品材料，利用激光速度干涉仪测量样品后自由面的速度历史，在冲击加载应力远低于样品材料Hugoniot弹性极限的条件下，观测到了表征破坏波出现的再加载信号，并且该破坏波的速度远大于玻璃中破坏波的速度，以接近于冲击波的速度在样品内向前传播，其形成机理与玻璃样品中的破坏机理不同，称之为“就位扩展机理”.采用同一冲击加载应力(～3.9GPa)作用于不同厚度的样品,获得了破坏波穿过样品的运动过程，确定出样品中破坏波的轨迹线近似为一条不过原点的直线，相应的产生此破坏波的弛豫时间约为0.5 μs.     

AD95陶瓷破坏波问题的实验研究

采用激光速度干涉技术,连续测量了AD95氧化铝陶瓷在一维应变冲击压缩下的自由面速度剖面,通过对速度剖面特征的分析,讨论了AD95陶瓷等脆性材料在冲击压缩下是否存在破坏波现象及其与材料特性的关系。研究结果表明:冲击加载应力在4.4~7.3GPa范围,即从小于到略大于雨贡纽弹性极限(约5.5GPa),在AD95陶瓷的自由面速度剖面中都未出现表征破坏波现象的二次加载信号,表明未发生破坏波形式的严重压缩损伤;但是,自由面速度剖面中特征点的规律性时序关系和前沿弥散特征都表明,在所讨论的加载应力范围内,AD95陶瓷材料发生了一定程度的压缩损伤;断裂韧性是影响材料在冲击压缩下是否发生破坏波现象的重要因素,断裂韧性较低,冲击波加载下易于形成大量微裂纹扩展和贯通,使材料发生"粉碎性"的严重破坏,是产生破坏波现象的重要条件之一。     

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。     

冲击加载下20钢中弹性前驱波衰减与应力松弛行为实验研究

 通过改变样品厚度，对平面冲击加载下20钢的弹性前驱波的波幅衰减和应力松弛进行了实验研究。采用激光速度干涉测速仪（VISAR）实测了样品后自由面速度历史，采样频率达到1 ns，保证了实验结果的准确性。实验结果显示：Hugoniot弹性极限随着传播距离呈指数衰减，在所研究的样品厚度范围内，Hugoniot弹性极限减小了44%；应力松弛行为和弹性前驱波的上升沿时间也依赖于传播距离；冲击加载的强度对材料动态屈服行为的影响很小。     

三角波加载下金属铝动态破坏现象的微观模拟

采用嵌入原子势模型和分子动力学方法, 模拟研究了三角波加载下金属铝动态破坏的微观过程和动力学性质. 根据原子中心对称参数变化给出了样品微结构演化过程, 解读了熔化前后破坏过程的形态差异; 基于Virial定理统计了样品中压力和温度等力学量波形, 分析了熔化前后材料的强度变化. 通过不同碰撞速度的模拟, 讨论了破碎区内物质形态和密度分布的变化, 给出了材料破坏深度的变化规律. 研究还发现, 熔化后材料的动态拉伸强度已显著降低, 而此时由声学近似推算的材料拉伸强度已明显高于内部应力直接计算结果. 关键词： 破坏 分子动力学 冲击     

顶爆和拱腰侧爆同时作用下锚固洞室的动态响应

基于相似模型试验,采用显式非线性动力分析程序LS-DYNA3D研究了地下锚固洞室在拱顶和拱腰侧两处集中装药爆源同时爆炸作用下应力波传播规律、裂纹形成机理以及洞壁围岩位移分布特征。通过对比分析顶爆试验和计算模型的压应力时程曲线,发现模拟与试验结果吻合,且符合应力波的传播规律,表明数值模拟结果可靠。爆源爆炸后,应力波以圆形向周围岩体传播,两应力波相遇处压应力强度明显大于周围岩体;当应力波传到自由面时,会反射形成拉伸波,在地表下方和洞室上方发生“层裂”现象,在拱顶和拱腰侧爆源中间沿洞室径向有裂纹延伸,由于拉伸波的叠加,在爆源下方出现“八”字形的锥形裂纹面。锚杆能够起到加固岩体的作用,锚固洞室比毛洞裂纹分布少,毛洞迎爆侧裂纹主要为横向裂纹,而锚固洞室则为径向劈裂和横向裂纹。两爆源中点洞室径向处的洞壁围岩位移峰值最大,极易产生破坏。     

基于光纤光栅的冲击能检测

提出一种利用光纤光栅作为传感元构成传感阵列对冲击能进行检测的方法.通过搭建简易冲击系统装置,将光纤光栅应变传感器沿轴向对称粘贴于圆杆表面,对入射应力波能量进行检测.实验结果表明,两杆对心正冲击时入射应力波幅值最大,能量传递效率最高.通过分析频率域内的应力波信号可知,其能量主要集中在0~5 000Hz频率范围内.将入射应力波能量与冲杆动能进行对比,结果表明冲杆与圆杆传递能比在93%以上,基本满足冲击机械性能测试的需求.     

含微孔洞脆性材料的冲击响应特性与介观演化机制

微孔洞显著地影响着脆性材料的冲击响应,理解其介观演化机制和宏观响应规律将使微孔洞有利于而无害于脆性材料的工程应用.通过建立能够准确表现材料弹性性质和断裂演化的格点-弹簧模型,本文揭示了孔洞的演化对于脆性材料的影响.冲击下孔洞导致的塌缩变形和从孔洞发射的剪切裂纹所导致的滑移变形产生了显著的应力松弛,并调制了冲击波的传播.在多孔脆性材料中,冲击波逐渐展宽为弹性波和变形波.变形波在宏观上类似于延性金属材料的塑性波,在介观上对应于塌缩变形和滑移变形过程.样品中的气孔率决定了脆性材料的弹性极限,气孔率和冲击应力共同影响着变形波的传播速度和冲击终态的应力幅值.含微孔洞脆性材料在冲击波复杂加载实验、功能材料失效的预防、建筑物防护等方面具有潜在的应用价值.所获得的冲击响应规律有助于针对特定应用优化设计脆性材料的冲击响应和动态力学性能.     

加载应力幅值对高纯铜动态损伤演化特性研究

研究了加载应力幅值对延性金属高纯无氧铜动态损伤演化特性的影响. 层裂实验在一级轻气炮上开展, 利用不同的飞片击靶速度实现不同加载应力幅值(2.5 GPa, 2.75 GPa和3.75 GPa), 采用DISAR位移干涉诊断技术测量样品自由面的速度剖面, 利用基于白光轴向色差的表面轮廓测试技术测试软回收的样品截面. 结果显示: 随着加载应力幅值的升高, 层裂强度几乎没有变化, 但自由面速度剖面上Pull back信号后的回跳速率和幅值显著增大, 损伤演化速率显著升高.进一步分析表明: 延性金属动态损伤演化过程中微孔洞成核对加载应力幅值单一因素不敏感, 但加载应力幅值是微孔洞长大和聚集的主导因素之一.     

冲击载荷下线性硬化材料中球面应力波场的理论计算方法研究

基于线性硬化塑性本构模型,建立了冲击载荷作用下弹塑性球面应力波场的理论求解方法.首先,分析了冲击载荷卸载速率对球面应力波传播的影响,得到了3种不同类型的应力波传播图像.在此基础上,建立了弹性阶段、塑性加载阶段以及卸载阶段球面波动方程的理论求解方法,给出了质点位移、质点速度、应力和应变等物理量的计算方案.与已有理论方法相比,该方法考虑了不同载荷卸载速率条件下应力波的不同传播情况,并且给出了卸载阶段应力波参量计算方法,具有更广的适用范围.利用上述方法计算了恒定冲击载荷和不同指数衰减冲击载荷作用下弹塑性球面应力波场参量,在弹性阶段和塑性加载阶段,理论计算得到的物理量与已有理论方法和数值模拟结果基本吻合,在卸载阶段,已有理论方法不再适用,而本文理论计算得到的物理量与数值模拟结果基本吻合,验证了该理论方法的正确性.     

谱元法数值模拟约束结构内炸药中应力波的传播

针对高速侵彻类战斗部在侵彻过程中的装药安定性以及在意外事故中的安全性问题,对约束结构内炸药在冲击加载下的应力波传播规律进行了模拟研究。计算了不同侵彻速度下弹体的冲击响应函数,并将具有高精度和低耗散特点的谱元法应用于约束结构内凝聚炸药中的应力波传播模拟;考虑炸药-金属界面的动摩擦特性,计算了冲击加载下由动摩擦引起的装药-壳体界面温升,以及装药内部的塑性功积累。成功地将谱元法应用于凝聚炸药中应力波传播过程的模拟,模拟结果对更准确地评估热点生成机制,以及进行装药安定性分析具有参考意义。     

纯铁和铁基合金楔形样品中的冲击相变

2005年，Koflov等对滑移爆轰加载下的楔形纯铁DT-2样品进行了研究，样品仅在斜面部分发生了局部层裂，材料中明显存在不同的几个区域：材料无破坏区域、层裂开始和发展区域、加载表面-高能炸药接触面、满足α-ε相变条件的加载表面邻近区域和初始状态为硼发生高应变率变形的材料区域。但是滑移爆轰加载波系作用非常复杂，无法准确给出各区域宏细观变形破坏所对应的加载应力状态。     

单晶Ce冲击相变的分子动力学模拟

金属Ce在室温条件下当压力达到约0.7 GPa时会发生一阶相变,体积突变减小14%—17%,相变前后两相分别为γ-Ce和α-Ce,均为面心立方结构.实验中发现冲击波在Ce中传播,其波形存在明显的多波结构依次为γ-Ce弹性前驱波、γ-Ce塑性波、γ-Ce→α-Ce相变波.基于新发展的金属Ce的嵌入原子势,对单晶Ce的冲击相变行为进行了分子动力学模拟.模拟结果表明,在一定强度下,单晶Ce中的冲击波阵面分裂为多波结构,波形结构与加载晶向明显相关:在[001]和[011]晶向加载下表现为双波结构,依次为前驱波和相变波;在[111]晶向加载下波阵面分裂为弹性前驱波、γ-Ce塑性波、γ→α相变波,与已有的实验观察相一致.冲击波速的Hugoniot关系在低强度加载下与实验符合得较好.同时在此冲击相变过程中,应力偏量对相变起促进作用,相较于静水压加载,冲击加载的相变压力条件更低一些.     

非均匀材料的应变软化及叠层复合材料破坏过程的数值模拟

用有限元方法模拟了非均匀叠层材料的固体力学行为和破坏过程,各层材料性质的初始非均匀性采用某一给定的统计规则描述.用三维网格对试件进行有限元剖分,每个单元具有各自的均匀各向同性常量以反映总体的非均匀性.加载过程中不同单元破坏次序不同,因而整体等效应力应变关系表现出复杂的非线性性.通过数值计算,在选定的具体条件下,模拟了在逐步加载过程中,叠层材料应力应变场的变化和不同单元依次破坏直至试件整体破坏的过程.算例中叠层材料由14~15层构成,使用的网格数约为几千个.用该方法得到的非线性等效应力应变曲线与文[11,12]中叙述的拉伸作用下应变超过某一值后,材料发生应变软化现象的试验数据符合较好,趋势相当一致,因此可以设想是对应变软化原因的一种解释.     

短脉冲载荷下金属材料的层裂破坏

 本文用点炮加载聚酯薄膜飞片撞击金属靶材料，飞片速度0.714~2.24 km/s，脉冲宽度40~80 ns，击靶压力为2.280~11.952 GPa。在回收的铝、铜和钢靶样品上观察到层裂现象。通过金相分析发现它们的破坏方式与在一般较长脉冲加载下的破坏方式相似，铝和铜以延性方式破坏；钢则以脆性方式破坏。一维和二维数值模拟结果表明通常的几种层裂判据在这个应力、应变和应变率范围内也基本上适用。     

超声动载荷下三维随机骨料混凝土的损伤

混凝土是一种由粗骨料与水泥砂浆组成的非均质复合材料。本研究利用APDL语言程序编写三维水泥混凝土骨料随机投放程序并导入ABAQUS中,同时赋予各相材料塑性损伤本构关系来研究混凝土动态加载下的破坏规律,运用超声波在混凝土破碎中的作用机理对混凝土动态损伤破坏过程进行模拟研究。结果表明:随着超声动态载荷的增大,粗骨料体积分数为40%的混凝土始终能够承受最大应力载荷;随着超声应力波幅值增大,混凝土在动载荷下的损伤值逐渐增大,且粗骨料体积分数为40%时,其抗损伤能力最优;当粗骨料最大粒径逐渐增大,或者当粗骨料最小粒径增大,混凝土级配不合理导致性能不稳定,更易损伤破坏。     

高纯铜初始层裂的微损伤特性研究

本文对平面冲击加载下高纯铜初始层裂的微损伤特性进行了研究. 利用准三维的表面轮廓测试技术, 对冲击加载“软回收”的样品截面进行测试. 通过对测试数据的重构、量化和统计分析, 结果表明: 拉伸应力持续时间和加载应力幅值的增加, 都会加剧样品内部损伤局域化程度. 样品内损伤区域宽度是亚微米尺度的损伤演化的结果, 并且亚微米尺度的演化速率随着拉伸应变率的增加而单调递增. 通过统计获得了样品内微损伤的尺寸分布特征, 并分析了其与损伤演化进程的关联.     

铝粒径及成型压强对Al/PTFE冲击反应的影响

采用模压烧结法制备了不同成型压强下铝粉粒径分别为10、30和200μm的Al/PTFE试件,基于分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置进行冲击引发试验,试验过程中通过高速摄影装置记录活性材料的反应情况。试验结果表明:随着成型压强增大,试件的冲击反应速度阈值均呈现先增大后减小的趋势。铝粉粒径为10和30μm时,较高成型压强的试件能够于点火延迟时间1000～1100μs处发生反应,使试件冲击反应速度阈值骤降;铝粉粒径为200μm时,活性材料点火延迟时间均在600μs附近。在相同成型压强下,试件的冲击反应速度阈值随铝粉粒径增大而升高。活性材料的冲击点火反应与材料的微观缺陷、应力波在SHPB装置中的传播、应力脉冲幅值以及材料的破坏过程等因素相关。     

FeMnNi合金冲击相变与卸载逆相变历程研究

采用VISAR测试技术,将正向加载和逆向加载实验相结合,研究了不同加载压力下FeMnNi合金的冲击相变和卸载逆相变历程.结果表明:冲击加载压力与冲击相变阈值之差小于逆相变阈值时,即0＜σp-σt＜σn,FeMnNi合金发生α→ε相变,加载段呈现弹性波、塑性波和相变波三波结构,塑性波在自由面反射稀疏波使FeMnNi合金完...     

一维静载与循环冲击共同作用下砂岩动态力学特性试验研究

以硬岩巷道的煤系砂岩为研究对象,利用改进的动静组合加载分离式霍普金森压杆系统进行轴压梯度为5、15、20 MPa,冲击气压梯度为0.8、1.0、1.2 MPa的一维循环冲击压缩试验。结果表明：整个循环冲击过程中,在不考虑轴压和冲击气压的情况下,砂岩的峰值应力随着冲击次数的增加呈现先增大后减小的变化趋势,而峰值应变、最大应变及平均应变率均呈现相反的变化趋势;在相同的冲击气压下,砂岩的峰值应力和累计循环冲击次数随轴压的增大而减小;在相同的轴压下,随着冲击气压的增大,峰值应力不断增大,而累计冲击次数却先增大后减小;在一维静载与循环冲击的共同作用下,砂岩的整个冲击过程可划分为压密阶段、内部裂纹发展阶段和加速破坏阶段。研究表明,地下深部矿柱失稳大概率是在静载与动载的相互作用下导致的,而动载的频繁扰动是矿柱失稳的主要影响因素。