不同填塞装药下金属柱壳断裂特性的实验研究

为探讨爆炸载荷特征对金属柱壳断裂过程的影响,设计不同厚度药柱填塞的TA2钛合金柱壳进行爆炸实验。金属柱壳爆炸膨胀碎裂后,对回收碎片进行微观破坏分析。结果显示：实心填塞装药时,TA2柱壳近内壁区域产生45°或135°分布的绝热剪切带,裂纹沿剪切带扩展导致剪切型断裂;1.9 mm厚空心药柱时,柱壳仍呈剪切断裂模式,但裂纹首先在柱壳厚度中部产生并向内外表面发展;随空心药柱厚度减薄至1.2 mm,柱壳厚度中部的损伤带更宽且发生层裂。分析认为,柱壳爆炸膨胀断裂模式及其机制不仅与爆炸压力相关,还与载荷脉宽与柱壳壁厚的比值相关,是一个涉及冲击波沿厚度传播及相互作用多物理破坏机制竞争的过程。     

海水腐蚀对薄壁钢管冲击膨胀断裂行为的影响

利用分离式霍普金森压杆对经模拟海水腐蚀处理后的HR2钢薄壁柱壳进行冲击膨胀冻结回收试验。分析回收样品的宏观形貌、表面形态、显微组织和断口形貌,研究不同NaCl浓度海水和浸泡时间对HR2钢薄壁柱壳冲击膨胀断裂的影响规律及其作用机理。基于Taylor准则,对断裂模式的转变机理进行分析。结果表明:当NaCl浓度较低或浸泡时间较短时,HR2钢薄壁柱壳冲击膨胀断裂主要以拉伸-剪切混合型断裂为主,近外表面呈拉伸断裂,近内表面呈剪切断裂;随浸泡时间和海水中NaCl浓度增大,柱壳的断裂转变为拉伸断裂为主,形成完整的拉伸断口。     

高应变率加载下金属柱壳断裂的实验研究

针对高应变率加载下金属柱壳复杂动力学响应,采用高速分幅相机和多普勒探测系统阵列联合测试了钛合金柱壳在内置炸药加载下膨胀、断裂直至整体破碎的表面动态图像和局部区域的速度历史剖面。通过对比分析估算了表面裂纹萌生及爆轰产物泄露时刻的工程应变,观察表面断裂模式并获得裂纹萌生扩展与速度剖面的关联;并从回收破片断口形貌确定柱壳整体失效的断裂特征。     

非标准圆筒装药爆轰驱动的试验研究

为了准确预测破片初速,研究爆轰驱动金属柱壳膨胀与断裂的过程细节和内在物理机制。设计梯恩梯炸药爆轰驱动不同壁厚的50SiMnVB钢和45号钢柱壳试验,采用高速转镜式分幅相机和光子多普勒测速仪联合同步测试和诊断,获得金属柱壳膨胀破裂过程的图像信息及膨胀速度历史,揭示了冲击波加载效应和金属柱壳破裂后继续加速过程的趋势和规律。结果表明：相同密度壳体材料随着壳体壁厚的增加,其外表面膨胀速度的振荡幅值增大、脉动次数增多,破裂模式由纯剪切转变为拉剪混合;由于壳体壁厚以及由此产生的不同载荷系数,45号钢壳体破裂时刻都晚于50SiMnVB钢壳体,且随着壁厚的增大,破裂时刻和膨胀破裂半径相差越大,但由于壳体破裂后爆轰产物的继续加速作用,相同壁厚的两种钢壳体膨胀最终状态基本接近。     

钨合金性能对爆炸加载下断裂模式的影响

研究钨合金动态抗拉和抗剪强度对爆炸加载下破片宏观断裂模式的影响。结果表明：运用断裂力学应力状态理论,分析应力状态与材料性能综合作用对钨合金爆炸加载形成的破片宏观断裂模式影响,分析结果与实验结果相符;用动态拉剪强度比以表征钨合金材料的脆性,在实验条件下,随着材料”值的减小,材料的脆性增加,破片正断比例线性递增。     

爆炸冲击作用下金属圆柱壳体膨胀破碎过程研究

为了研究爆轰冲击作用下金属圆柱壳体动态膨胀及变形断裂过程,以40Cr Mn Si B钢壳体材料为研究对象,在理论分析的基础上建立了炸药与壳体相互作用过程分析模型,获得了爆轰作用过程中金属壳体外表面径向位移以及速度变化规律;应用超高速摄影技术获得了壳体在高应变率下动态变形过程。结果表明:膨胀半径达到初始外半径的1.47~1.70倍时,壳体内部裂纹贯穿整个壁厚并发生断裂;壳体膨胀速度在距起爆端60%~70%壳体轴向长度处达到最大,此处膨胀速度比起爆端附近提高了18.3%。     

基于XFEM法的拉壳钩裂纹扩展分析研究

以某小口径自动武器拉壳钩为研究对象,在UG中建立三维模型,以ABAQUS为分析平台,运用扩展的有限元法对拉壳钩抽壳过程中裂纹的扩展乃至拉壳钩断裂进行有限元分析,并与试验结果相对比,验证了XFEM法在裂纹扩展中的可靠性,分析得到的应力强度因子和J积分与理论计算值吻合得很好,分析结果对拉壳钩的结构优化设计具有一定的参考价值。     

胶接点焊接头断裂失效过程的仿真分析

建立点焊接头拉剪过程的GTN模型,以及胶焊接头拉剪过程的GTN/内聚力仿真模型,分析两种接头的断裂失效特性;开展胶接点焊工艺和单向拉伸试验。结果表明:点焊接头峰值载荷为14.348 75 kN,胶接点焊接头峰值载荷为17.689 35 kN,仿真与拉剪试验的载荷-位移曲线吻合度较高,验证了仿真模型的可靠性;胶焊接头在拉伸初期胶层和焊点共同承载,随后搭接区边缘的胶层先断裂失效,胶层应力峰值向焊核中心扩展,待胶层完全失效后,外载荷仅由焊核承担;随着位移增大,焊核与基板交界应力集中处的孔洞汇聚成裂纹,并沿周向扩展,最终发生焊核拔出失效。     

铝合金薄壁圆管动态膨胀剪切断裂的实验研究

采用电磁驱动金属圆管膨胀技术对6063薄壁铝合金圆管的动态膨胀断裂过程进行实验研究,圆管膨胀速度可达140~200 m/s,应变率为4 500~6 500 s-1,并对剪切局域化形成过程、应变率影响及试样温升等进行讨论。结果表明:铝合金薄壁圆管动态断裂经历了均匀膨胀、剪切局域化变形及裂纹沿剪切局域化带发展过程,剪切局域化变形带与圆管径向呈45°或135°的分布。分析表明:碎片特征尺寸随加载率提高而减小,断裂应变随着加载率提高而增大。     

纳米尺度切削单晶锗裂纹萌生研究

为提高单晶锗表面加工质量,抑制裂纹产生,采用分子动力学仿真方法,模拟不同切削深度、不同刀尖圆弧半径和不同刀具前角下单晶锗的切削过程,分析切削过程中裂纹萌生的原因及影响因素,提出突出变形区域,计算该区域附近应力变化,并用刻划试验对仿真结果进行验证。结果表明:当切削深度一定时,出现突出变形区,且该区域的原子间距变大,原子堆积体积膨胀,与切削方向垂直的竖直方向为拉伸应力,在其作用下,突出变形区附近的材料产生微小裂纹,形成裂纹萌生区。其他切削条件不变,适当增大刀尖圆弧半径和刀具的负前角有助于抑制突出变形区的产生,减小竖直方向的拉应力,抑制微裂纹萌生。     

内爆炸载荷下弹钢的动态变形与断裂准则研究

在Ｔａｙｌｏｒ临界应力断裂准则的基础上，假定裂纹前端周向拉伸应力σ０＝ｋσＢ，理论和实验研究了两种弹钢（２０＾＃钢和９２６０钢）在内爆炸载荷作用下壳体的膨胀规律，以及断裂系数Ｋ值，应变，应变率和破裂半径。破片加嘏试验表明，理论计算与实验结果具有相当好的一致性。     

深水爆炸下凸型加筋锥柱壳结构的破坏模式

水深是深潜装备在水中爆炸时结构动态响应的重要影响因素,深水爆炸条件下深潜装备结构的动态响应是深潜装备防护设计的重要基础。以典型深潜装备的防护需求为背景,研究加筋锥柱凸结构在深水爆炸载荷下的破坏模式。进行500 m水深范围内加筋锥柱凸结构的爆炸实验,并利用ABAQUS数值仿真方法得到了多种工况下结构的动态响应过程。根据结构变形量和破坏程度,获得了加筋锥柱凸结构包含肋间壳板凹陷变形、壳板与肋骨协同变形和压溃撕裂破坏的3种破 坏模式,揭示了不同破坏模式之间的演变与转化机理。结果表明：随着水深、冲击因子的增加,加筋锥柱凸结构的变形破坏结果更加严重,破坏模式的演变与转化过程更加复杂。     

关于Gurney公式的强度效应修正

为了使Gurney公式能够在考虑材料强度的前提下预测爆轰驱动速度,采用量纲分析的方法,分析了影响柱壳爆轰驱动的主要因素,建立了抛射速度与主要物理量的函教关系.此函数关系经分离变量后,分别通过理论分析和数值仿真予以确定.分析表明,随着屈服应力的提高,壳体的径向极限速度下降,断裂时间提前.柱壳爆轰驱动的强度效应不容忽略.利用炸药爆速、炸药与柱壳的质量比、柱壳材料的屈服强度和密度等参数,通过拟合公式能够预测柱壳爆轰驱动的极限膨胀速度.     

金属球壳爆炸成形及回弹过程数值仿真

利用LS-DYNA非线性动力有限元程序中的ALE算法和显式-隐式连续求解功能,对某一球内接锥台壳体在爆炸冲击载荷作用下无模成形及回弹过程进行了三维数值模拟,获得了球壳的变形图、应力应变图以及壳体质点时间历程曲线等大量结果,并与实验结果进行了对比,结果表明,仿真结果与实验结果基本吻合.     

爆炸载荷下泡沫铝夹芯板变形与破坏模式的实验研究

系统地开展了爆炸载荷作用下泡沫铝夹芯板变形与破坏的实验研究,获得了冲量45.6 N·s、 76.2 N·s、104.6 N·s、131.7 N·s、183.6 N·s 5种不同爆炸载荷作用下泡沫铝夹芯板背面板中心点的变形挠度,给出了泡沫铝夹芯板前面板、泡沫铝芯体和背面板在不同爆炸载荷作用下的变形与破坏模式,分析了泡沫铝芯体产生的剪切断裂和拉伸断裂两种不同机理。研究结果表明,泡沫铝芯体呈现“渐进式”压缩变形,泡沫铝夹芯板背面板中心点的变形挠度与爆炸冲量之间近似满足二次关系。     

水下爆炸载荷下舰船双层底部结构的毁伤特性

为研究舰船双层底部结构在水下爆炸载荷下的毁伤特性,进行电火花气泡与带破口双层结构模型相互作用实验,使用高速摄影机捕捉气泡在带破口双层结构下方的脉动特征,并使用LS-DYNA软件对该实验工况进行模拟,通过实验验证数值模型的有效性。在此基础上建立实尺度舰船双层底舱段有限元模型,通过改变爆距和双层板间水位,设置15个模拟工况,深入分析冲击波和气泡载荷对舰船双层底部结构的毁伤特性。研究结果表明：爆距较小时,外底板出现破口,内外底板之间的内气泡的膨胀作用加剧外底板破口的撕裂,同时使内底板出现塑性变形;爆距较大时,外底板仅发生变形,并与内底板接触,同时带动内底板的变形。双层板间水位较低时,冲击波载荷衰减较大,对内底板毁伤作用较小,此时内气泡的膨胀对内底板的变形起到主要作用;双层板间水位较高时,冲击波载荷衰减较小,冲击波和气泡脉动二次压力波载荷通过水介质共同作用到内底板,使内底板产生变形。     

圆筒压力容器表面裂纹和穿透裂纹的断裂分析

应用作者以前所研究的断裂准则分析带表面裂纹和穿透裂纹的圆筒压力容器断裂数据,以了解此准则与断裂数据符合的情况如何。用此断裂准则分析了文献中铝合金、钢和环氧树脂压力容器表面裂纹的断裂数据及铝合金、钛合金、钢和黄铜容器穿透裂纹的断裂数据。对很宽范围的裂纹尺寸和容器直径,表面裂纹或穿透裂纹的破坏应力与断裂准则的偏差在10％以内。对含有穿透裂纹的平板(中心裂纹或双边裂纹的拉伸试件)和圆筒压力容器,也发现破坏应力与断裂准则的偏差在10％以内。     

内部爆炸作用下混凝土加固钢筒结构变形破坏规律研究

采用混凝土加固钢筒的组合结构是提高防护结构抗内部爆炸毁伤能力的有效技术途径之一。用显式动力分析软件LS-DYNA对小比例距离内部爆炸作用下混凝土加固钢筒结构变形过程进行了数值模拟。用Johnson-Cook模型模拟钢筒的动态变形,用Winfrith模型模拟混凝土的非线性破坏过程。将钢筒变形和混凝土破坏情况与实验结果进行了对比。结果表明:加固混凝土块的裂纹分布与实验较为一致,钢筒环向应变与实验吻合较好;在相同的装药量下,采用加固混凝土加固钢筒结构,可明显提高结构的抗爆能力;当装药量小于425 g时,虽然混凝土内部存在微裂纹,但还是安全的;随着药量的进一步增加,轴向和径向裂纹将逐渐发展直至贯通,结构破坏的风险增大。     

填充介质柱壳在侧向爆炸载荷作用下的变形机理研究

从理论上研究填充介质柱壳在侧向爆炸载荷作用下的变形机理。假定圆柱壳体为理想刚塑性壳体并且无限长,忽略炸药爆炸时爆轰产物的轴向飞散。根据平面应变假设和塑性铰理论,将柱壳沿圆周方向均匀划分为N个首尾相连的刚性方杆,方杆之间用塑性铰连接。根据初边值条件分析壳体微元的受力情况,进而推导出运动方程。利用MATLAB进行编程求解,将求解结果与数值仿真结果进行对比验证。结果表明,所建立的理论分析模型是合理的,求解方法是可行的。     

空心装药射流断裂时间的计算公式

发现圆柱形对称空心装药形成的射流之断裂时间可由下式准确地计算:ta′=1/(V_(pr.))((8R·T_L)/~(1/2))·sinβ/2该式是由第一次应用于这儿的一个普通原理得到的,该原理假定在极高的应变速率下均匀延伸的金属之断裂时间等于正在伸长的金属之最小起始尺寸除以V_PL。当该原理应用于简单的形状、如由于內部爆炸引起膨胀的管子时,能够对所形成的破片尺寸的平均值进行正确的预测。这个原理对下列实验事实第一次提出解释:卽当应变速率从10~(-2)秒~(-1)增加到10~5秒~(-1)时,金属的延伸性可能提高一个数量级。