脆性材料动态断裂的介观格子模型

岩石、陶瓷、玻璃、固体炸药等脆性材料在爆炸与冲击施加的强动载荷作用下易发生迅速的裂纹扩展和灾难性的断裂破碎,造成材料、器件、装置的功能失效和事故危害。理解脆性断裂过程中介观裂纹网络演化与宏观动态响应的关联是提升脆性材料可靠性和安全性的关键,但同时也是计算建模与数值模拟研究面临的难点。为了解决爆炸与冲击加载下脆性材料中裂纹网络随机萌生、裂纹面挤压摩擦、大量裂纹交错扩展等复杂过程带来的算法困难,一种无网格/粒子方法“格子模型”得到了持续的关注和长足的发展。本文综述了格子模型的原理和方法,介绍了运用格子模型开展脆性断裂研究的代表性成果,分析了格子模型存在的不足与改进的方向。

铝热还原法合成AlON粉体及其热力学分析

以微米级的Al粉和纳米级Al2O3粉为原料,在N2气氛下,通过铝热还原法,进行了AlON粉体的合成。实验表明,在1873～1923K之间,AlON相开始形成,到2023K时得到纯相AlON粉体。通过拟抛物线规则计算得到AlON的摩尔生成吉布斯能,进而算得AlON相形成的转变温度为1887K。热力学分析表明,铝热还原法合成AlON过程中,各物相易受气氛、温度的影响而表现出不同的热力学行为,进而影响合成的纯相AlON的固溶组分。实验结果与理论计算分析相符合。

孔洞排布对PMMA多孔材料冲击响应行为的影响

多孔材料具有轻质、缓冲减震、吸能等特点,在加载路径调控、爆炸或冲击防护领域具有广泛的应用前景。采用格点-弹簧模型(离散元方法),模拟多种孔洞排布方式的PMMA多孔材料在冲击加载过程中的早期孔洞塌缩破坏、应力分布与粒子速度等冲击响应行为。结果表明:在冲击加载过程中,裂纹萌发于孔洞侧向(垂直于冲击波方向)附近区域,孔洞破坏形式以剪切断裂为主;在不同的孔洞排列模型中,孔洞与孔洞之间均存在剪切裂纹相互贯通现象,促进孔洞体积压缩致密化,且孔洞排列方式不影响冲击波传播速度;四角点阵模型有效减缓孔洞附近区域的应力集中;四角点阵、三角点阵、锥形递减排列、锥形递增排列模型都显著影响PMMA多孔材料的冲击波阵面平整性;孔洞的随机排列模型对降低粒子速度最有效,四角点阵排列模型对降低波阵面后压力贡献最大。

网络爆轰驱动飞片的设计技术

提出使用炸药网络爆轰技术,设计了一种新型的低速飞片击靶加载装置,结合数值模拟和实验测量,对驱动飞片的速度、平面性及装置结构参数进行了系统分析。实验结果表明,无氧铜飞片可以使直径100mm、厚度3mm的飞片在飞行距离2mm内达到稳定的飞行状态,击靶速度在200～350m/s范围内连续可调,飞片击靶平面范围大、速度均匀、平面性好,为实现低冲击应力的一维应变加载提供了参考。

基于有限元⁃离散元结合方法的Steven实验三维数值模拟

针对有限元方法描述断裂与摩擦时存在算法困难,而离散元方法难以描述炸药结构响应的问题,建立了有限元-离散元相结合的三维数值模拟方法与Fortran计算程序。通过有限元模拟炸药外金属壳体变形,离散元模拟炸药内部的裂纹扩展与摩擦升温,采用Arrhenius方程描述炸药热分解反应放热,实现了装药低速撞击非冲击点火的三维模拟。以Steven实验作为算例,开展了脆性炸药PBX-2在钝头弹与平头弹两种撞击条件下装药破坏与点火的模拟,考察了炸药非均匀性的影响,获得了装药受载应力历史、裂纹分布、温升曲线、点火时间与位置、撞击点火速度阈值等,分析了钝头弹与平头弹撞击点火的分布特性。以炸药裂纹摩擦以及自反应放热为点火机制的模拟结果与文献报道的实验结果符合较好。

设计脆性材料的冲击塑性

通过微结构设计提升脆性功能材料的冲击塑性,将有助于避免或延缓失效的发生.提出在脆性材料中植入特定的微小孔洞以改善其冲击塑性的设计方法.采用一种能够定量表现脆性材料力学性质的格点-弹簧模型、研究了孔洞排布方式对脆性材料冲击响应的影响.孔洞随机排布的多孔脆性材料具有明显高于致密脆性材料的冲击塑性,而设计规则的孔洞排布方式将有助于进一步提升脆性材料的冲击塑性.对150 m/s活塞冲击下气孔率5%的多孔样品的介观变形特征分析表明,孔洞规则排布的样品中孔洞贯通和体积收缩变形占主导,而孔洞随机排布的样品中剪切裂纹长距离扩展和滑移与转动变形占主导.尽管在宏观的Hugoniot应力-应变曲线上,两种孔洞排布方式的样品都表现出三段式响应特征(线弹性阶段、塌缩变形阶段和滑移与转动变形阶段),但孔洞规则排布时孔洞塌缩变形阶段对整体冲击塑性的贡献更大.研究揭示的规则排布孔洞增强脆性材料冲击塑性的原理,将有助于脆性材料冲击诱导功能失效的预防.

金刚石-碳化硅超硬复合材料的冲击强度

不同于延性介质,脆性介质的失效破坏严重制约着材料的强度.本文采用一种定量描述脆性介质力学性质的格点-弹簧模型,研究了金刚石-碳化硅超硬复合材料的冲击强度及其细观损伤机理,有助于避免灾变破坏、提高冲击强度.在模型中,通过构建不同体积分数比的金刚石和碳化硅两相复合材料,模拟获得了经受冲击波压缩形变后的宏观波剖面,显示出随着金刚石颗粒含量增加,冲击强度逐渐增大,而后减小;对应于这种变化,损伤演化分析揭示出存在三种细观损伤模式,当金刚石颗粒含量在10%—50%范围内增加时,长距离扩展滑移带占主导;当金刚石颗粒含量为70%时,滑移带已由长距离扩展演化为短细滑移带,损伤主要来自于碳化硅基体,多数金刚石颗粒未发生损伤;当金刚石颗粒含量超过70%的临界值后,短细滑移带也将被强烈限制,应力集中致使金刚石颗粒被严重损伤,冲击强度下降.研究结果为优化设计金刚石-碳化硅超硬复合材料以及制备新型抗冲击材料提供了物理认知.

炸药落锤实验及样品厚度效应的三维数值模拟

为了研究落锤实验中炸药的概率点火行为以及试样厚度对点火的影响,对脆性炸药PBX-2的落锤实验开展了三维数值模拟。采用有限元与离散元相结合的方法,并考虑了炸药材料的非均匀性,获得了炸药在不同落高下的点火概率分布,落高计算结果与文献报道的实验结果相符。此外,研究了落锤实验中试样厚度对炸药温升过程及点火阈值的影响,拟合得到了压力峰值和点火阈值随试样厚度变化的估算公式,可以为实验设计提供参考。

多孔脆性介质冲击波压缩破坏的细观机理和图像

本文采用一种具有良好定量性质的离散元模型研究了带孔洞的各向同性脆性介质在细观尺度上的压缩破坏特征.通过对孤立孔洞、三种简单的孔洞排布方式和大量孔洞随机排布等几种情况的模拟,认识到了剪切破坏和局域拉伸破坏是冲击波压缩下多孔介质的基本破坏模式;孔洞之间的损伤贯通会促进孔洞在较低应力下发生塌缩,但损伤区的应力松弛过程却会对一定范围内的介质起到损伤屏蔽作用;不同区域中损伤促进和损伤屏蔽的综合效果是在多孔脆性介质中形成一种高损伤区与低损伤区间错排布的奇特损伤分布.本文的研究结果为深入理解脆性材料冲击波压缩破坏的演化过程和机理提供了细观尺度上的初步物理图像.

多孔脆性材料对高能量密度脉冲的吸收和抵抗能力

作用在脆性结构材料表面的高能量密度脉冲会以冲击波的形式传播进入材料内部,导致压缩破坏和功能失效.通过设计并引入微孔洞,显著增强了脆性材料冲击下的塑性变形能力,从而使脆性结构材料可以有效地吸收耗散冲击波能量,并抑制冲击诱导裂纹的扩展贯通.建立格点-弹簧模型并用于模拟研究致密和多孔脆性材料在高能量密度脉冲加载下的冲击塑性机理、能量吸收耗散过程和裂纹扩展过程.冲击波压缩下孔洞塌缩,导致体积收缩变形和滑移以及转动变形,使得多孔脆性材料表现出显著的冲击塑性.对致密样品、气孔率5%和10%的多孔样品吸能能力的计算表明,多孔脆性材料吸收耗散高能量密度脉冲的能力远优于致密脆性材料.在短脉冲加载下,相较于遭受整体破坏的致密脆性材料,多孔脆性材料以增加局部区域的损伤程度为代价,阻止了严重的冲击破坏扩展贯通整个样品,避免了材料的整体功能失效.

含微孔洞脆性材料的冲击响应特性与介观演化机制

微孔洞显著地影响着脆性材料的冲击响应,理解其介观演化机制和宏观响应规律将使微孔洞有利于而无害于脆性材料的工程应用.通过建立能够准确表现材料弹性性质和断裂演化的格点-弹簧模型,本文揭示了孔洞的演化对于脆性材料的影响.冲击下孔洞导致的塌缩变形和从孔洞发射的剪切裂纹所导致的滑移变形产生了显著的应力松弛,并调制了冲击波的传播.在多孔脆性材料中,冲击波逐渐展宽为弹性波和变形波.变形波在宏观上类似于延性金属材料的塑性波,在介观上对应于塌缩变形和滑移变形过程.样品中的气孔率决定了脆性材料的弹性极限,气孔率和冲击应力共同影响着变形波的传播速度和冲击终态的应力幅值.含微孔洞脆性材料在冲击波复杂加载实验、功能材料失效的预防、建筑物防护等方面具有潜在的应用价值.所获得的冲击响应规律有助于针对特定应用优化设计脆性材料的冲击响应和动态力学性能.

低冲击应力下脆性介质电阻率的实时测量

冲击波压缩下材料宏观性质的变化与微观结构演化有着密切联系。通过改进对称差分电路测量方法,测量K9玻璃在失效破坏过程中的电阻率变化,研究了脆性介质在低冲击波应力下的损伤破坏机制。结果表明,随着冲击波在K9玻璃中传播,K9玻璃的电阻率逐渐下降;在7.6GPa冲击压缩下,K9玻璃由最初的绝缘体状态逐渐转变为电阻率约420Ω.m的稳定状态。

多孔陶瓷材料力学特性的离散单元法定量模拟

本文基于离散单元法,模拟研究了多孔陶瓷在拟静态加载条件下的力学响应特性.在数值试样制备上,采用各向同性压缩的方式获取不同固含率的数值试样,然后基于Coble烧结模型计算微观颗粒之间的接触尺寸.为考虑多体作用下固体键之间的空间耦合效应,对经典的Hertz接触模型进行了修正,引入了一反映晶粒间接触尺寸和晶粒间空间几何排列特性影响的校正因子.随后以部分烧结三氧化二铝陶瓷材料为研究对象,检验了所建立的离散单元法数值模拟方法的定量预测能力.模拟结果表明,所预测的有效杨氏模量和断裂强度与文献报道的实验数据能很好地定量吻合;对于含大孔洞的部分烧结三氧化二铝陶瓷材料的模拟结果表明,无论是孔洞之间的相互作用特性,还是孔洞排列型式对材料有效杨氏模量和断裂特性的影响,模拟结果都能与文献报道的理论分析结果和有限元分析结果定量吻合.这些定量对比结果表明,本文建立的离散单元法数值模拟方法,可以用来定量地预测多孔陶瓷的力学特性.

气氛和温度对AlON透明陶瓷热腐蚀的影响

以氧化钇为烧结助剂,在流动氮气气氛下,经1880℃保温10小时获得AlON陶瓷.将所得到的陶瓷样品研磨抛光后分别在氮气(常压)气氛下1750℃,1680℃,1650℃和真空(<1.0×10^(-3)Pa)气氛下1680℃,1650℃进行热腐蚀.保温时间均为2小时.然后将上述经热腐蚀后的各样品用扫描电子显微镜对其腐蚀表面进行了观察,进而研究气氛和温度对AlON陶瓷热腐蚀的影响.通过对以上结果的分析比较得到AlON热腐蚀的最佳条件为真空(<1.0×10^(-3)Pa)条件下1650℃.最后对新生晶粒组成成份、产生的原因以及温度对陶瓷表面腐蚀程度的影响也进行了分析.

部分烧结陶瓷材料力学特性的DEM模拟

通过开展三维离散单元法数值模拟,考察了部分烧结陶瓷在单轴拉伸和压缩加载条件下的力学响应行为。模拟结果表明,拉伸加载下试样的破坏表现为裂纹"成核"效应,而压缩加载下则呈现为裂纹"聚并"效应;通过追踪固体键的断裂顺序和断裂模式发现,拉伸加载下固体键的破坏主要源于拉伸作用,而压缩加载下则为剪切作用。试样的宏观断裂强度与固体键临界拉伸强度σ_(c,t)和临界剪切强度σ_(c,s)有关。对于考察的部分烧结Al_(2)O_(3)陶瓷材料,σ_(c,t)=σ_(c,s)下模拟得到的试样拉伸强度和压缩强度能与实验数据定量吻合。压缩加载下,固体键断裂强度的分布形式和分布宽度对试样断裂强度的影响较小;拉伸加载下,试样断裂强度取决于固体键的分布形式:高斯分布时,试样断裂强度基本不受分布宽度的影响;均匀分布时,试样断裂强度随分布宽度的增大而减小。