高聚物粘结炸药蠕变行为的近场动力学模拟方法

近场动力学是一种新的无网格方法,发展了其对材料粘弹性力学行为的分析能力。采用Burgers粘弹性模型,结合非线性粘弹体的时间-应力等效原理,推导出非线性粘弹体在不同应力下的蠕变柔度的表达式和近场动力学蠕变本构力函数,建立起可应用于高聚物粘结炸药的近场动力学蠕变模拟方法。模拟了PBX9502的蠕变行为,并通过实验验证。建立的方法可用于高聚物粘结炸药在温度和应力共同作用下的蠕变行为分析。     

轴压作用下自由-自由运动梁振动特性研究

针对轴向压力作用下的两端自由运动梁的振动问题,根据Timoshenko梁理论和Hamilton原理建立了梁的横向振动控制方程,通过解析法和微分求积法(DQM)求解了梁的振动特性,分析了轴向压力和运动效应以及轴向力导数和运动加速度对梁固有特性的影响,并对临界载荷、临界速度等的影响因素进行了比较研究。结果表明:轴向压力和运动效应都使得固有频率降低,压力和运动速度的特定组合会导致超临界现象和耦合模态颤振的出现;压力导数和加速度效应都会使得梁的基础频率产生不稳定性;梁的临界载荷随着运动速度增大而变小,临界速度随轴向压力增大而降低。     

基于线性Drucker-Prager模型的PBX准静态弹塑性变形分析

根据高聚物粘结炸药(PBX)的力学特性,将线性Drucker-Prager模型引入到PBX材料的弹塑性变形研究中。基于线性Drucker-Prager模型,结合经典塑性理论,分析了PBX准静态弹塑性变形过程。明晰了其后继屈服面的特征,推导了其刚度算法,构造了其弹塑性本构模型。从理论上分析了单轴压缩状态、双轴压缩状态条件下的应力应变关系。利用线性Drucker-Prager模型模拟了PBX材料的单元特性。结果表明,其单轴压缩模拟结果和双轴压缩模拟结果均与理论分析结果、实验数据一致。经对比,双轴压缩的极限强度是单轴的1.16倍,相应塑性应变是其0.5倍。     

基于Voronoi细观数值模型预测PBX的有效弹性模量

为探讨高聚物粘接炸药(PBX)细观结构对其有效弹性模量的影响,采用有限元方法分析对比了六边形颗粒、不同分布形式的圆形颗粒、基于Voronoi方法建立的不规则多边形颗粒等细观数值模型。结果表明,颗粒形貌和分布对PBX的有效模量影响显著。Voronoi细观数值模型不仅可以实现PBX材料颗粒的高填充度(85%),也可以通过不规则多边形颗粒更好地刻画PBX的细观结构,其杨氏模量预测结果为1.41 GPa,与实验值接近;杨氏模量、体积模量、剪切模量随颗粒含量增加近似指数上升,而泊松比随颗粒含量的增加快速下降。     

基于XFEM与Cohesive模型分析PBX裂纹产生与扩展

利用扩展有限元法(XFEM)分析PBX-9502带孔板状试件在整体压缩下由局部裂纹萌生到裂纹扩展全过程的开裂破坏机理。采用应力状态相关的强度面、非关联流动法则及Cohesive模型,描述了材料在复杂应力状态下的非线性本构行为以及材料的破坏行为。进行了数值模拟结果与美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)试验结果的对比。结果表明,含孔洞的平板在整体压应力环境下孔洞周围产生局部拉伸应力,这种拉伸条件导致局部裂纹萌生。数值模拟的裂纹发展趋势与试验结果相吻合,包括裂纹时程的整体走势和拐点、启裂时刻、裂纹初期扩展速度等。基于扩展有限元方法和内聚模型法,可模拟高聚物粘结炸药(PBX)含能材料的裂纹萌生、扩展。     

热弹性环境下HMX基PBX厚壁结构件失效破坏分析

针对高聚物粘结炸药(PBX)厚壁球结构件引入稳态温度场,并展开了热弹性变形分析,讨论了热应力作用下构件的失效破坏状况。采用包括最大拉应力准则、von-Mises准则、Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则等强度准则来分析了厚壁球结构件的承受温差能力与最先破坏点位置,并通过无量纲分析分离出与结构形状尺寸相关的参数因子,从而获得PBX普通结构件的承受温差能力规律。结果表明:Drucker-Prager准则能够较为准确描述PBX厚壁球结构件的失效破坏状况;PBX结构件失效破坏状况与材料特性、结构尺寸等因素相关,提高材料抗拉强度和降低材料弹性模量、优化结构尺寸及形状能提高其承受温差能力。室温下,PBX结构件承受温差能力可以认为由拉伸破坏应变决定,提高PBX炸药的拉伸破坏应变,可以提高其承受温差能力。比较了热环境下三种PBX炸药PBX-A、PBX-E和PBX-C相同结构件下的材料性能,PBX-A的承受温差能力是PBX-C的5.6倍,PBX-E的承受温差能力是PBX-C的4.4倍。     

基于随机和认知不确定性分离的PBX构件可靠性分析

由概率或概率盒方法量化高聚物粘结炸药(PBX)构件几何尺寸、材料属性、所受载荷等参数的不确定性,通过嵌套抽样法进行了不确定性传播分析,以分离随机和认知不确定性的影响。定量叠加了数值误差和模型形式误差,最终获得结构关心响应量的不确定性和炸药件的可靠度区间,与传统确定性的强度校核方法以及经典概率方法的可靠性分析结果进行了比较。结果表明,考虑不确定性的可靠性评估比传统确定性强度校核降低了工程应用的风险,而本方法给出的可靠度区间包含了经典概率方法计算的可靠度,在认知不确定性影响严重时仍然适用,并随着认知不确定性的缩减收敛于真实可靠度。     

表面机械研磨处理对纯铜棘轮行为的影响:宏微观试验与本构模拟

目的 通过金属表面纳米化试验机制备出梯度结构纯铜,提升纯铜材料的疲劳寿命,并揭示其背后的机理。方法 通过系统的宏观力学性能测试、微观组织表征以及本构模拟探究了表面机械研磨处理(Surface Mechanical Attrition Treatment,SMAT)对T2纯铜棘轮行为的影响。结果 循环变形试验结果表明SMAT纯铜样品的循环失效圈数明显多于未处理纯铜样品的循环圈数,且SMAT纯铜样品在循环过程中的累积塑性变形明显小于未处理纯铜样品的累积塑性变形,即棘轮应变明显小于未处理纯铜样品的棘轮应变。电子背散射衍射(Electron Back Scattered Diffraction,EBSD)和X射线衍射分析(X-Ray Diffraction,XRD)表征发现:经过SMAT后,材料的晶粒尺寸均呈现由处理表面到材料芯部逐渐减小的梯度分布。且SMAT时间越长,样品的总位错密度越大。此外,基于应变梯度塑性理论模型对SMAT前后纯铜的单拉及循环变形响应进行了有限元模拟,模拟结果显示累积塑性应变沿深度方向(SMAT冲击方向)呈梯度分布,最大几何必需位错密度以及最大等效应力均出现在模型的次表层。同时,当模拟的循环圈数相同时,代表SMAT样品的梯度结构模型的棘轮应变明显低于代表未处理样品的均匀模型的棘轮应变。结论 循环变形试验结果表明SMAT对于T2纯铜的棘轮应变有抑制作用,有限元模拟进一步揭示了SMAT对于棘轮应变的抑制效应以及背后的机理。     

High strain rate compressive behavior of Ti-based metallic glass matrix composites

The compression behaviors of Ti-based metallic glass matrix composites with dendrites scale were tested at different loading rates. It was found that the composites exhibited not only high strength, but also large plasticity under quasi-static compression. Under the dynamic loading, however, the TZ1 alloy with fine dendrites demonstrated a catastrophic failure. Although both the strength and plasticity decreased for the TZ2 composite sample with coarse dendrite, the total strain is over 7%. Discussions on the strain rates and dendrite scale are provided by analyzing the effects of dendrite, which can present the possible deformation mechanism of the composites.