不同晶粒度高纯铜层裂损伤演化的有限元模拟

采用Voronoi方法构建了50, 130和200μm三种晶粒度的高纯铜靶板,在晶界处随机预制损伤成核点,建立了平板撞击高纯铜靶板的二维轴对称计算模型,研究了晶粒度和加载应力对高纯铜层裂宏观力学响应和细观损伤演化的影响.基于自由面速度剖面特征分析,揭示了晶粒度和加载应力幅值对Pull-back速度回跳点位置、速度回跳斜率及回跳幅值的影响规律,论证了层裂强度与损伤区拉伸应力峰值相对应本质上表征微损伤早期长大临界应力;基于损伤演化云图特征分析,讨论了长大和聚集过程中微孔洞周围局域化塑性应变场的演变,揭示了晶粒度和加载应力对微孔洞聚集和应力松弛行为的影响.计算结果再现了层裂实验中材料内部的微孔洞长大、聚集的细观物理过程,进一步揭示其与宏观力学响应之间的内禀关系,这对认识层裂损伤演化机制和理论模型构建具有重要的意义.     

铝锂合金材料状态方程的研究

多数材料是应变率正敏感的,其屈服应力随着应变率的增加而提高;但是在应变率相关的动力学实验中,发现铝锂合金是应变率负敏感的,具有明显的冲击韧性特征。为了全面认识该种材料的动态力学行为,有必要进一步研究其在较高压力下的冲击压缩性能。通过轻气炮实验,测量了靶板自由面质点速度时程曲线等相关参量,得到了材料的D-u型Hugoniot线。实验揭示了在突加载荷作用之下,在应变率负敏感的铝锂合金材料中可出现类似于弹塑性材料中的双波结构,从而证明了所提出的极限应变率负敏感粘塑性材料这一概念的合理性。最后,在弱激波假设的前提下,推导了材料Hugoniot方程与Murnagham状态方程之间的关系,并以实验数据为基础得到了材料的状态方程参数。     

一个新的损伤演化方程及其在层裂中的应用

采用统计细观损伤力学方法,基于延性金属断裂过程的孔洞演化机理,提出一个新的损伤演化方程,该方程在一定的条件下与由空心球体胞模型导出的损伤方程形式相同。在此基础上,将新的损伤演化方程编入一维Lagrange有限差分动力学程序,对OFHC铜的平板对称正碰撞层裂实验进行了数值模拟,计算结果与实验吻合得较好。     

Tuler-Butcher模型中考虑已有损伤影响的一种修正

基于Tuler-Butcher模型提出了一种修正的损伤演化模型。在此基础上,将新的损伤演化方程编入一维Lagrange有限差分动力学程序,对45钢和铝锂合金两种延性金属材料的平板正碰撞层裂实验进行了数值模拟,计算结果与实验结果吻合得较好,验证了本模型的正确性。     

铝和铝-锂合金的爆炸烧结试验研究

 本文研究了纯铝粉和快速凝固铝-锂合金粉的爆炸烧结工艺，测量了烧结体的密度，观察了烧结体内的微观组织和断口形貌。试验用粉末材料为水雾化铝粉、氮气雾化铝粉和氩气雾化铝-锂合金粉。试验时把粉末材料装在包套内，粉状炸药装在包套外的纸筒内，炸药从一端起爆。根据文中给出的爆炸烧结工艺参数的设计原则，通过系统地试验，已获得Φ17×70 mm的铝-锂棒材和Φ100×100 mm的纯铝棒材，相对密度超过98%，无中心孔（马赫孔）。微观组织和断口形貌观察结果表明：颗粒之间已达到焊接结合，结合区是由超细微晶组成，颗粒内部仍保持原始粉末的急冷组织。试验结果还表明：包套最终运动速度、包套内径、粉末材料强度、粉末材料表面氧化膜的厚度都是影响爆炸烧结质量的重要因素。     

氦泡铝的层裂特性实验研究

含氦泡材料的动态断裂性能是多个研究领域关注的重点。采用平板冲击实验技术,对含有氦泡、硼等杂质的铝材料进行了层裂实验研究,由双光源混频系统分别测量了纯铝、掺硼铝以及两种氦浓度的含氦泡铝样品的自由面速度,对比分析了不同杂质影响下铝材料的层裂强度及其差异。实验显示：纯铝的层裂强度为1.28 GPa,引入硼杂质使铝的层裂强度显著降低,降低幅度接近50%;中子辐照掺硼铝引入氦泡后,对铝的层裂性能没有造成进一步影响,说明采用中子辐照掺硼铝方法制备含氦泡铝时,氦泡效应不显著,即氦泡对材料的动态断裂性能影响有限。此外,根据实验测量结果,简要讨论了硼和氦泡等对铝的Hugoniot弹性极限的影响。

     

光电法分析铝-锂合金中锂元素的研究

目前,国内对铝合金中离含量锂（１．０％－３．０％）通常采用化学分析法,光电法尚不能完成高锂元素的分析。本文针对光电法分析高含量锂进行研究和探讨。     

动态断裂过程的数值分析及LY-12铝的层裂

 本文从文献[1]中用于分析柱壳动态膨胀断裂过程的损伤度函数出发,将它推广到对一维应变下层裂过程的数值模拟研究。试件材料为LY-12铝,其特性方程取为含粘性的本构方程形式。数值计算结果很好地再现了实测自由面速度u_fs随时间t的变化过程,并表现出层裂强度σ_c及层裂面上的临界损伤度α_c都分别是应变率ε_c'的单调递增函数关系。σ_c~ε_c'的这种变化规律在许多文献中已屡见报道,例如可见文献[2-3]。在10⁵ s^-1~10⁶ s^-1应变率范围内,σ_c~ε_c'关系可以表示为ε_c'exp(-11.4α_c)=2 100 s^-1,这个式子可以作为一种层裂判据使用。数值计算还给出了层裂片的损伤度剖面,其形状特征与Barbee等对回收试件的细观测量结果在定性上一致。     

不同波形加载下[100]单晶铝层裂破坏的分子动力学模拟研究

采用分子动力学方法模拟了[100]单晶铝在等冲量斜波和方波作用下的形变和层裂行为,分析了加载波形与层裂行为之间的相关性。研究表明,脉冲形状与热力学路径的协同作用影响了材料层裂。不同加载波形下单晶铝层裂强度的差异并非受缺陷主导的非均匀孔洞形核影响,而是由不同热力学路径下温升的差异决定。例如：当最大加载速度为3.00 km/s时,单晶铝均经历均匀层裂,但斜波加载下铝的层裂强度较方波加载时提升56.6%。斜波加载会产生逐渐增强的压缩波,使单晶铝产生相比于冲击加载更轻度的损伤。这一现象随着加载速度的提高而变得更加显著。

     

爆轰加载下锡金属连续层裂损伤机理的数值分析

结合实验对所采用的计算程序和损伤模型进行验证,在此基础上开展了爆轰加载下锡材料连续层裂损伤机理研究。结果显示：锡靶板的破坏模式与加载强度、加载波形以及靶板的几何结构相关;材料初始微结构的作用反映在对临界截止孔隙度的影响上,进而影响靶板的损伤破坏;损伤模型中临界截止孔隙度越大,靶板的破坏程度越小。此外,材料拉伸、压缩损伤的计算结果与相应实验结果的对比显示,材料的损伤主要以拉伸损伤破坏为主。

     

损伤度函数模型用于3种钢层裂的二维数值模拟

把损伤度函数模型嵌入到二维有限元程序DEFEL中,并对3种钢（HR-2钢、2169钢及45钢）的平板撞击层裂实验进行了数值模拟,在模拟中计及材料的屈服硬化效应和Bauschinger效应的影响,较好地再现了实测自由面的速度历史,同时给出了样品中的损伤分布及其发展。在数值模拟中发现,断裂面附近所受最大拉应力介于由声学近似解析计算的层裂强度和从三项式固体状态方程出发得出的断裂理论值之间,并对三者之间的差异作了分析,表明数值模拟结果是合理的。     

强激光辐照下纯铝动力学响应和层裂的数值模拟

采用改进的损伤度函数模型,该模型将材料损伤断裂看作为一种典型的逾渗过程,根据逾渗临界准则,采用应力松弛函数来描述损伤后期微损伤之间的连通效应,考虑了损伤对材料本构的影响,对纯铝在强激光辐照下的动态力学响应和层裂破实验进行了数值模拟。通过高斯分布激光脉冲压力加载,计算分析了激光与样品相互作用。计算结果表明：损伤演化明显地改变了材料力学响应以及样品中波传播特性,计算较精确地再现了实测自由面速度随时间的变化过程。根据计算结果分析了损伤演化过程,485 μm厚样品中损伤的分布主要集中在距离样品后界面100 μm 范围内,具有明显的损伤局部化特征,最大损伤值为11.2%。     

93钨合金断裂特性研究

用一级压缩气体炮加载技术与锰铜压阻传感技术结合,实验研究了93钨合金的层裂特性。实时测量实验证明,断裂强度与拉抻应变速率相关,也与合金元素、材料制备工艺相关。软回收样品内部损伤的金相和扫描电镜分析表明,93钨合金的层裂是以钨晶粒破裂为主的脆性断裂,损伤度也与拉伸应变速率相关。     

非一维应变冲击加载下高纯铜初始层裂行为

提出了一种锥形靶层裂实验新方法,开展非一维应变冲击条件下高纯铜初始层裂行为实验研究,讨论了锥形靶内部损伤分布特征及其与自由面速度典型特征之间的内禀关系.结果显示:1)初始层裂的锥形靶内部出现了连续损伤区,损伤区扩展方向与锥面平行,从锥底到锥顶呈现了不同的损伤状态,从微孔洞独立长大到局部聚集,最后形成宏观裂纹,这种损伤状态分布特征归因于锥形靶内部拉伸应力幅值和持续时间的空间演化;2)通过锥形靶横截面损伤度定量统计分析,揭示损伤演化早期的微孔洞成核与早期长大过程是随机的,而损伤演化后期的微孔洞聚集过程具有显著的局域化特征;3)不同位置处实测的自由面法向粒子速度剖面呈现出典型的层裂Pull-back信号,但是通过与内部损伤分布特征对比,揭示基于Pull-back速度获得高纯铜层裂强度本质是微孔洞成核阈值应力,Pull-back回跳速度斜率反映了损伤演化速率,Pull-back回跳幅值与损伤度引起的应力松弛密切相关.     

强激光辐照下纳米铜动态拉伸型断裂的数值模拟

基于强激光辐照加载下纳米铜的层裂实验,采用含逾渗软化函数的损伤度函数模型对实验结果进行了数值模拟研究。强激光加载条件被简化为高斯分布脉冲压力施加在镍合金基体的前表面上。数值计算结果显示：损伤演化明显地改变了试样中波传播特性,无论是对微损伤还是完全层裂的试样,计算都较好地再现了实测自由面速度剖面,表明了含逾渗软化函数的损伤度函数模型在强激光加载条件下纳米铜层裂问题分析中具有较好适用性。     

动态拉伸断裂的物理判据研究

介绍了动态拉伸断裂物理判据的基本内涵,基本思想,实验依据和实验验证。基于对动态拉伸断裂细微观物理机制和过程特征的认识,建立了损伤度函数模型和逾渗软化函数,提出了两个损伤特征物理量,即聚集临界损伤度（Dl）和断裂临界损伤度（Df）,描述了断裂事件由缓慢演化过渡到特征临界状态、再到灾变断裂的演化规律。该物理判据是动态拉伸断裂的一种物理约束,表征了材料失效破坏与损伤演化的内禀特性,为预测复杂加载应力和复杂几何构型的动态拉伸断裂问题提供了可能性。     

有机玻璃的几何形状对爆炸切割影响的研究

为了改善现有的航空弹射救生系统,提高飞行员安全逃生的成功率,提出了微爆索切割技术在航空穿盖弹射救生系统中的应用。采用非线性动力显式程序LS-DYNA3D,对有机玻璃平板元件、航空舱盖的微爆索切割过程进行了数值计算分析,得到了不同装药量下有机玻璃平板元件、航空舱盖的切割深度,对比了有机玻璃的几何形状对微爆索切割深度的影响。模拟结果表明：有机玻璃平板切割实验对航空舱盖切割实验具有一定的指导意义,研究结果也可为微爆索线性切割航空舱盖的实验设计提供依据。