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。     

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.     

一维应变层裂过程中孔洞聚集行为研究

延性金属的层裂行为包含孔洞成核、长大和聚集过程,其中孔洞聚集难以通过实验方法直接观测。采用有限元分析方法,研究了延性金属层裂过程中孔洞之间的聚集行为和竞争机制,讨论了孔洞间初始韧带距离、孔洞直径和孔洞位置分布对孔洞聚集的影响。通过实时统计孔洞长大过程中直径的变化,定量分析孔洞聚集的起始时刻。计算结果显示：当初始韧带距离由20μm增加至50μm时,相同孔径孔洞间聚集的起始时间不断延长,聚集时的直径增长加速度由1.717 Gm/s²降至0.602 Gm/s²;具有不同孔径比的孔洞之间发生聚集时,小孔优先向大孔靠拢;45°分布方式的孔洞在长大阶段的直径增长加速度最大,约为3.179 Gm/s²,且最早发生聚集。计算结果显示,在三孔聚集中,初始韧带距离和孔径相同的孔洞之间几乎同时发生聚集并贯通,且孔洞间聚集的起始时间随着初始韧带距离的增加而延长,大孔向附近小孔聚集的起始时刻较迟。计算结果揭示了层裂实验中难以观察到的孔洞长大和聚集的细观物理过程,对了解材料层裂的物理过程和本质具有重要的参考价值。     

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。     

高温高应变率下混凝土材料的损伤演化方程

采用?74 mm大口径分离式霍普金森压杆(SHPB)对不同温度(20、200、400℃)下的C45混凝土材料进行动态力学性能实验,得到了不同温度、不同应变率下混凝土材料的应力-应变曲线。实验结果表明:在20~400℃温度范围内,混凝土材料具有温度硬化和应变率硬化现象。基于上述实验数据给出了损伤变量关于塑性应变的关系式,并通过相关实验数据确定了不同温度、不同应变率下损伤演化方程的材料参数。将该损伤演化方程应用于混凝土材料的本构关系中,预测结果与实验数据具有较好的一致性,证明了所提出的高温、高应变率下混凝土材料损伤演化方程的合理性。     

脉冲激光产生层裂的一维和二维数值计算

 通过简化的物理分析，将脉冲激光加载简化为一定的力学边界条件，考虑了材料内部的损伤演化，采用含损伤的热粘塑性本构模型模拟了铝合金材料的层裂。由于脉冲激光产生的压力脉冲较短，随后的卸载波将使得靶中传播的冲击波压力幅值下降。一维和二维计算得到的层裂片厚度与已有的实验数据符合很好。通过计算，得到了脉冲激光发生层裂时的应变率。     

FeMnNi合金高压加卸载历程测量和相变层裂分析

 采用VISAR和X光联合测试技术,利用等厚对称和逆向碰撞法测量了FeMnNi合金高压加卸载历程和相变层裂信息。加载过程中,FeMnNi合金样品发生α→ε相转变,相变波速大于塑性波速,在撞击面上相变波与塑性波合并成单一相变波;卸载过程中,FeMnNi合金样品可能发生了逆相变,形成了除合并相变波在自由面反射中心稀疏波R以外的两道卸载波S1和S2。等厚对称高压加载下,FeMnNi合金样品发生了二次层裂。分析中心稀疏波R、卸载波S1和S2在样品中的传播作用过程,发现样品发生冲击相变和卸载逆转变是导致其等厚对称高压加载下发生二次层裂行为的主要原因。     

Al-Li合金光谱标准样品制备和定值

本文叙述了Ａｌ－Ｌｉ合金光谱分析用标准样品的制备过程和定值结果。在制备过程中采用了先进的氩气保护、新型熔剂覆盖盖技术防止锂元素的烧损,首创作了“间歇式半连续铸造法 ”、“分步调整成分法”等先进的工艺,解决了Ａｌ－Ｌｉ标样铸锭不锡成形、成易偏析等技术难关;最后采用多家协作分析定值法和科学的数理统计方法对数据处理给出定值结果和不确定度。     

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%。     

三轴应力下花岗岩加载破坏的能量演化和损伤特征

为揭示不同围压下硬岩在破坏过程中的力学性质和能量演化规律,基于RMT-150B岩石力学试验系统对花岗岩试样进行不同围压条件下常规三轴压缩试验。研究结果表明:岩样的峰值应力和围压具有较强的线性关系,利用Mohr-Coulomb强度准则求出花岗岩的黏聚力为23.548 MPa,内摩擦角为57.629°。围压对花岗岩加载破坏过程中能量演化的影响显著,岩石的峰值能量、弹性应变能以及耗散能都随着围压的增大而增大,且两者呈线性增加关系。根据岩石的线性储能规律,提出了确定岩石应力阈值的方法。围压越大,起裂应力和扩容应力越大,且岩样起裂点处与扩容点处的能量也越大;当围压较低时,岩石破坏前储存的能量较少,破坏时能量释放速率低,岩样表现为典型低劈裂破坏;在高围压情况下,能量快速释放,岩样表现为剪切破坏。基于能量演化规律,提出了岩石损伤演化模型,得到了花岗岩的损伤变量D在不同围压下加载破坏过程中的演化规律。