液压膨胀环动态拉伸碎裂的有限元模拟

液压冲击膨胀环实验平台能有效地实现韧性金属圆环在高应变率拉伸载荷作用下的动态断（碎）裂。本文采用流固耦合的有限元数值计算方法,模拟了实验过程中金属圆环在高压液体作用下的运动、变形和断裂现象。分析了装置和试件的接触应力对试件碎裂过程的影响并讨论了如何实现液压对试件的有效加载。计算结果表明,实验中的初始接触应力和液体的较长时间加载对试件的碎裂过程没有显著影响;在合理的加载条件下,液压膨胀环实验技术是研究固体动态拉伸碎裂的有效手段。     

一种基于SHPB的冲击膨胀环实验技术

设计了一种基于分离式Hopkinson压杆(SHPB)的冲击膨胀环实验装置,实验装置包括一个液压腔,一侧为驱动活塞,另一侧为圆环试件封闭。对活塞施加轴向冲击,利用液体体积近似不可压缩的特性,通过液压腔截面积的大比例缩小,将较低速度的对活塞冲击转化为圆环试件沿径向的高速膨胀,驱动试件发生拉伸变形直至断(碎)裂。使用这种冲击膨胀装置,获得了LY12铝环在不同撞击速度下碎裂过程的初步结果。实验结果显示,随着撞击速度增大,圆环试件碎裂产生的碎片的尺度减小,试件的表观断裂应变增加。这为研究材料的动态拉伸碎裂问题提供了一种加载方式。     

脆性膨胀环动态拉伸碎裂实验研究

发展了一种液压冲击脆性膨胀环实验技术,通过可升降的凸台对脆性膨胀环进行精确的对心定位安置,避免偏心膨胀带来的弯曲断裂,通过膨胀环试件上的半导体应变片测量其在拉伸碎裂过程中的应变时程曲线;对典型脆性材料碳化硅（SiC）陶瓷进行了膨胀拉伸碎裂实验研究,获得了其动态拉伸断裂强度和碎片平均尺寸及分布。实验结果表明:(1) 液压冲击膨胀环实验能较好地实现脆性膨胀环的拉伸碎裂,在应变率101 s?1量级下,SiC陶瓷拉伸断裂应变为3.7×10?4～7.4×10?4,平均拉伸断裂应力为206 MPa;(2) SiC陶瓷无量纲化平均碎片尺寸落于多种脆性碎裂预测模型的合理区间内,随着加载应变率的提高,SiC陶瓷的平均碎片尺寸减小;(3) SiC陶瓷拉伸碎裂的碎片分布基本符合Rayleigh分布,但是在细小尺寸上和大尺寸碎片分布上存在一定偏差。     

石英玻璃圆环高速膨胀碎裂过程的离散元模拟

采用离散元算法模拟了石英玻璃圆环受到外加动态载荷时的力学行为. 首先基于flat-jointed粘结模型,通过标准的单轴拉压、三点弯曲等数值实验来标定了石英玻璃的微观参数. 在此模型基础上,数值模拟再现了石英玻璃圆环在不同应变率下的膨胀碎裂过程. 为定量分析数值模拟结果,需要准确确定圆环的碎裂发生时刻. 模拟发现:伴随着石英玻璃圆环的断裂,圆环外表面粒子径向膨胀速度的时程曲线会发生突然升高然后下降的跳动;详细分析表明,这种跳动源自周向的脆性断裂诱发的卸载波(周向拉伸应力急剧下降)以及伴随而来的泊松膨胀,这种径向速度跳动现象为实验中检测脆性断裂发生时刻提供了可能. 进一步的数值研究表明:(1)石英玻璃圆环的断裂应变随着应变率的提高而增大,与韧性金属材料的膨胀环实验结果一致;(2)石英玻璃圆环的碎片平均质量随着应变率的增大而减小;(3)数值计算获得的碎片平均尺寸与已有的理论和实验结果比较吻合. 利用液压膨胀环实验装置对石英玻璃圆环进行了验证性实验,回收得到的碎片形貌及碎片个数与数值模拟的结果基本一致.      

石英玻璃圆环高速膨胀碎裂过程的离散元模拟

采用离散元算法模拟了石英玻璃圆环受到外加动态载荷时的力学行为.首先基于flat-jointed粘结模型,通过标准的单轴拉压、三点弯曲等数值实验来标定了石英玻璃的微观参数.在此模型基础上,数值模拟再现了石英玻璃圆环在不同应变率下的膨胀碎裂过程.为定量分析数值模拟结果,需要准确确定圆环的碎裂发生时刻.模拟发现:伴随着石英玻璃圆环的断裂,圆环外表面粒子径向膨胀速度的时程曲线会发生突然升高然后下降的跳动;详细分析表明,这种跳动源自周向的脆性断裂诱发的卸载波(周向拉伸应力急剧下降)以及伴随而来的泊松膨胀,这种径向速度跳动现象为实验中检测脆性断裂发生时刻提供了可能.进一步的数值研究表明:(1)石英玻璃圆环的断裂应变随着应变率的提高而增大,与韧性金属材料的膨胀环实验结果一致;(2)石英玻璃圆环的碎片平均质量随着应变率的增大而减小;(3)数值计算获得的碎片平均尺寸与已有的理论和实验结果比较吻合.利用液压膨胀环实验装置对石英玻璃圆环进行了验证性实验,回收得到的碎片形貌及碎片个数与数值模拟的结果基本一致.     

PMMA膨胀环动态拉伸碎裂实验研究

在强动载作用下,脆性材料的碎裂问题是一个重要的研究课题,而脆性材料在冲击拉伸载荷下的力学行为的实验研究相对较匮乏.提出了一种动态拉伸断(碎)裂的液压膨胀环实验技术,可用于准脆性/脆性材料的动态拉伸.利用该技术对有机玻璃(PMMA)圆环试件进行了不同膨胀速度下的动态碎裂实验研究.从回收碎片的断口形貌和碎片内部残余裂纹观察可知试件的破碎由环向拉伸应力造成,碎片断口处发出的稀疏波会将周围的拉伸应力卸载,从而抑制其他裂纹的进一步发展.利用超高速相机记录了试件的膨胀碎裂过程,利用DISAR激光速度干涉仪获得了试件外表面粒子的径向膨胀速度历史,通过试件上的应变片获得了试件的应变历史和断裂应变.实验结果表明:在拉伸应变率150～500 s~(-1)范围,材料的动态断裂应变低于准静态加载下的断裂应变,体现出"动脆"现象;随着加载应变率的提高,PMMA材料的碎片尺寸减小;无量纲化的PMMA圆环的平均碎片尺寸介于韧性碎裂模型和脆性碎裂模型的预测数值之间,反映出材料的准脆性特性.     

实现材料高应变率拉伸加载的爆炸膨胀环技术

设计了新型的爆炸膨胀环实验加载装置,加载装置中采用爆炸丝线起爆方式,避免了传统装置中对碰爆轰波加载时的应力不均匀性。利用新型的爆炸膨胀环实验技术研究了无氧铜材料的动态性能,利用激光位移干涉仪测量了试样环的径向速度历史,处理数据获得了无氧铜材料的流动应力-塑性应变-应变率的关系,为进一步利用爆炸膨胀环实验技术研究材料在高应变率拉伸加载时的本构关系奠定了基础。     

PMMA膨胀环动态拉伸碎裂实验研究

在强动载作用下, 脆性材料的碎裂问题是一个重要的研究课题, 而脆性材料在冲击拉伸载荷下的力学行为的实验研究相对较匮乏. 提出了一种动态拉伸断(碎)裂的液压膨胀环实验技术, 可用于准脆性/脆性材料的动态拉伸. 利用该技术对有机玻璃(PMMA)圆环试件进行了不同膨胀速度下的动态碎裂实验研究. 从回收碎片的断口形貌和碎片内部残余裂纹观察可知试件的破碎由环向拉伸应力造成, 碎片断口处发出的稀疏波会将周围的拉伸应力卸载, 从而抑制其他裂纹的进一步发展. 利用超高速相机记录了试件的膨胀碎裂过程, 利用DISAR激光速度干涉仪获得了试件外表面粒子的径向膨胀速度历史, 通过试件上的应变片获得了试件的应变历史和断裂应变. 实验结果表明: 在拉伸应变率150\mathrm{~}500s^{-1}范围, 材料的动态断裂应变低于准静态加载下的断裂应变, 体现出“动脆”现象; 随着加载应变率的提高, PMMA 材料的碎片尺寸减小; 无量纲化的PMMA圆环的平均碎片尺寸介于韧性碎裂模型和脆性碎裂模型的预测数值之间, 反映出材料的准脆性特性.      

高应变率拉伸加载下无氧铜的本构模型

为了研究材料在高应变率拉伸加载下的动态响应,利用新型爆炸膨胀环实验技术开展了无氧铜试 样环的拉伸加载实验,采用激光干涉测试技术获得了试样环拉伸变形过程的径向速度历史。数值计算发现经 典JC模型不能较好地描述无氧铜试样环的膨胀过程,于是对JC模型进行了修改:增加了应变的指数硬化项 来描述拉伸变形的累积效应;增加了应变率的线性项描述拉伸加载时的应变率效应;利用实验数据拟合了修 改后的RJC模型参数,最终较好描述了无氧铜试样环的膨胀变形过程。     

Y态TU1环的动态脆性碎裂特性

针对膨胀环的碎裂问题,以Mott碎裂理论和Grady能量平衡理论为基础,利用裂纹张开位移碎裂模型（crack opening displacement model,COD）描述脆性无氧铜环的碎裂特性,并推导了碎片尺寸和数目表达式。利用电磁膨胀环加载技术,完成了不同应变率的脆性无氧铜（TU1）环碎裂实验,实验结果与理论计算结果符合较好,可为脆性金属环膨胀碎裂特性描述提供参考。     

玻纤增强复合材料高应变率拉伸实验研究

利用爆炸膨胀环实验技术,对玻璃纤维增强复合材料(GFRC)进行了高应变率(104s-1)下力学性能研究。实验中使用铜丝汽化引爆装药的方法对驱动环进行能量加载,并采用激光速度干涉仪(VISAR)测量试样环自由膨胀的质点速度,实现了玻璃纤维增强复合材料在104应变率下的一维拉伸破坏,并获取了该材料的速度时间曲线。经过计算得到了材料的应力应变关系,最后与该材料在准静态下、中高应变率下实验得到的数据进行了比较。     

电磁膨胀环实验设计的关键因素

为了更好地研究电磁膨胀环实验加载技术,利用带有电磁模块的LS DYNA三维动力学有限元程序对电磁膨胀环加载过程进行三维数值模拟。分析了螺线圈绕法、加载电流波形、膨胀环截面尺寸和轴向位移对电磁膨胀环实验结果的影响。计算结果表明,连接带缺口螺线圈的圆圈绕线方法优于均匀过渡绕法,加载电流峰值与膨胀环径向速度峰值近似成线性关系,适当增加膨胀环截面轴向的宽度可提高膨胀环运动稳定性,双螺线圈模型可有效减小膨胀环轴向位移。     

膨胀环实验平台及其在材料动力学行为研究中的应用

分析了目前膨胀环实验技术的研究现状,介绍了本课题组搭建的电磁膨胀环和爆炸膨胀环实验平台,着重介绍了其原理和主要性能参数。爆炸膨胀环实验中提出了一种新的爆炸丝起爆方式,电磁膨胀环平台中使用了一种先进的三电极开关实现电流截断。膨胀环的传统研究方向为材料的断裂行为、破片的统计规律、材料的动态拉伸本构等,本课题组将其拓展到材料在冲击拉伸加载下的损伤演化规律、裂纹的扩展速度等研究领域。本文对膨胀环平台的主要应用研究进行了一个较全面系统的总结概括,并指出今后膨胀环平台应用研究的主要方向。     

预置圆孔膨胀环动态断裂行为研究

利用中心线起爆膨胀环加载技术,采用分幅摄影技术观测了20号钢圆环在准一维拉伸作用下,预置圆孔缺陷临近区域的动态断裂特征。获得了高应变率下圆孔的变形、裂纹的萌生及扩展过程。并采用LS-DYNA3D有限元程序分步建模,将驱动器对膨胀环的冲击压力简化为直接作用于圆环内壁的压力历史,以此模拟了整个断裂过程。通过实验图像,得到裂纹尖端的位移以及速度随时间变化的曲线。结果表明,宏观可见裂纹出现于应力集中最大处,裂纹扩展速度随时间振荡,数值模拟与实验结果吻合较好。     

Investigation of dynamic response of brittle materials under high-rate loading

In this paper the dynamic behaviour of brittle materials subjected to high-rate loading is investigated. Taking the effect of damage into account, a direct, explicit and quantitative method is developed to determine the average fragment size generated by crack tension with a constant strain rate. The theoretical predictions of the fragment size are compared with the experimental data, and it is found that the predicted values agree reasonably well with the test results. Furthermore, the dependence of the throw velocity on the strain rate is discussed. The value of the throw velocity increases with the increment of the strain rate. Finally, the properties of the fragmentation in a single borehole blasting experiment are numerically simulated.