爆轰驱动下45钢半球壳膨胀断裂破片回收研究

基于爆炸驱动金属半球壳产生的破片速度分布特点,设计了聚氨酯泡沫/水/聚氨酯泡沫3层介质组合的破片全回收系统。聚氨酯泡沫桶由侧壁与底部一次成型的3个泡沫桶组件拼接,结构紧凑,防水性能高。在泡沫桶底部盛水并增加一定厚度的漂浮泡沫板,加强了回收池底部防护。采用该泡沫桶开展了中心点起爆驱动45钢半球壳膨胀断裂的全回收实验。实验结果表明,破片回收率超过88%,破片内外表面辨识度高,绝大多数破片穿透泡沫桶侧壁和漂浮泡沫板并沉入水底。漂浮泡沫板和底部水层对破片速度的衰减效果明显,泡沫桶底部无破片侵彻。新设计的回收系统可回收接近2π立体角的飞散破片,表明该回收系统的适用范围涵盖了实验装置在起爆点单边的爆轰实验,拓展了该回收池可回收的破片种类。此外,新系统将竖直方向的组合衰减层总尺寸减至70 cm,为进一步优化和减小回收池尺寸提供了依据。根据破片测量数据,给出了破片质量分布结果,以及回收破片的平均厚度、平均尺寸等相关信息,并简要分析了半球壳破片与柱壳破片的特征差异,继而推算出半球壳断裂应变明显小于柱壳的断裂应变,为不同应力状态的壳层膨胀断裂机制研究提供了有益的实验数据支撑。

45钢柱壳膨胀断裂的应变率效应

采用前照明高速分幅照相技术拍摄到在爆轰加载下45钢柱壳表面裂纹生成、扩展及产物泄漏过程的清晰图像,较准确地测量了膨胀断裂的时间与应变。45钢柱壳在炸药爆轰加载下,断裂应变随应变率的增加而增加,当应变率达到一定值,断裂应变随应变率的增加而降低,出现了动态断裂中的塑性峰现象。

薄壁柱壳在内部爆炸载荷下膨胀断裂的研究

以柱形爆炸装置为研究对象 ,讨论了其薄壁壳体在爆炸载荷下的动态断裂准则。给出了典型的FAE模型及在数值计算时必要的简化条件。对回收的壳壁破片进行了SEM扫描电镜观测 ,分析了金属材料在高应变率下膨胀断裂的微观机制。采用解耦的、考虑应变强化的粘塑性本构方程 ,根据损伤破坏理论推导出以临界应变为依据的改进断裂准则 ,计算表明断裂参数理论解与数值模拟结果一致 。

含缺陷厚壁圆管爆轰膨胀断裂的数值模拟

将金属圆管受到炸药爆轰产物产生的冲击压力简化为直接施加在圆管内壁的压力,通过数值模拟对比分析了计及圆管厚度方向的含缺陷圆管的应力分布影响趋势。结果表明,圆管外表面的缺陷对沿壁厚方向的应力集中影响非常明显,即使只有不到厚度尺寸1/100的微缺陷,圆管最大的等效塑性应变显著增加,甚至可以超出无缺陷时数十倍。这种应力分布造成了圆管从外表面宏观可见裂纹产生到完全贯穿长达十余微秒的断裂过程,从而影响到圆管膨胀断裂实验获得的损伤参数定义的有效性。

铍青铜柱壳膨胀断裂研究

利用高速摄影和金相分析研究了不同热处理状态的铍青铜(QBe2)柱壳在爆轰加载下的膨胀断裂特性。研究表明:材料的细观组织决定材料的静态力学性能与动态断裂性能。当同种材料的组织结构有较大差异时,材料的静态力学性能及动态断裂性能均会有较大改变;当材料的基体组织没有明显变化、只是基体中强化相的多少发生改变时,材料的静态力学性能会有较大差异,而材料的动态断裂性能将没有明显变化,原因在于造成静态力学性能差异的强化相在爆轰加载下的性能趋于一致。

45钢薄壁圆柱管的冲击膨胀断裂机理研究

采用改进型霍普金森压杆实验技术,对不同膨胀断裂状态的45号钢薄壁金属圆柱管进行了冻结回收,直接观测了薄壁金属圆柱管动态膨胀断裂过程中的裂纹萌生、扩展情况以及最终断裂模式等断裂演化特征。对冻结回收样品进行的金相显微分析完整观察到了裂纹萌生、扩展直至断裂的整个膨胀断裂过程,并得出以下结论:薄壁金属圆柱管在中应变率的膨胀断裂过程中,拉伸和剪切断裂机制起主导作用。裂纹萌生于外壁面,并由外向内扩展,断裂模式随加载应变率的提高逐渐由拉剪混合向纯剪切过渡。与爆轰加载的高应变率薄壁金属圆柱管断裂过程不同的是,随加载载荷的增加,薄壁金属圆柱管的断裂逐渐由拉伸断裂向剪切断裂过渡,而非绝热剪切断裂,这种差异的产生原因尚待研究。

爆炸加载下金属壳体膨胀断裂过程中的关键物理问题

爆炸加载下金属壳体膨胀断裂过程是武器研制领域关注的重要课题,该过程包含着丰富的力学与材料学基础科学问题,吸引着众多学者的长期关注。本文中通过分析爆炸加载下金属壳体膨胀断裂过程,明确了其中蕴含的3个关键物理问题:材料动态拉伸本构、壳体膨胀断裂机理和破片尺寸控制机理,综合分析了这3个关键物理问题的研究现状与趋势。

内部爆炸载荷下薄壁柱壳膨胀断裂的研究

以大载流体超高速关断装置爆炸桥为研究对象 ,提出一种破坏损伤度函数 ,讨论了其薄壁柱壳在爆炸载荷下的动态断裂准则。计算结果与实验结果一致 。

40CrMnSiB钢圆柱壳体膨胀断裂中间状态回收试验研究

针对回火温度条件对金属圆柱壳体膨胀断裂动态过程的影响问题,设计了冻结回收试验,用于回收处于膨胀断裂状态的金属壳体断裂形貌。以200℃、350℃、500℃和600℃4种回火温度处理下的40CrMnSiB钢为研究对象,通过冻结回收试验获得了4种回火温度状态下壳体断裂中间状态,分析了不同回火温度对壳体断裂、裂纹萌生、扩展及分布的影响,揭示了回火温度对40CrMnSiB钢圆柱壳体宏观断裂特性的影响规律。研究结果表明:随着回火温度从200℃上升到600℃,初期受动态塑性及断裂韧性改善的影响,壳体的断裂相关参量变化明显,后期材料动态强度减小造成的影响更突出,断裂相关参量基本不变;在500℃回火状态下的壳体断裂应变最大,相对于200℃回火状态提高了48. 1%.

表面粗糙度对6061铝合金薄壁管冲击膨胀断裂性能的影响

采用分离式霍普金森杆实验技术,对表面加工后不同粗糙度的6061铝合金薄壁圆柱管进行动态膨胀断裂冻结回收实验,并对薄壁金属圆柱管动态膨胀断裂过程中裂纹萌生、扩展情况以及最终断裂模式等进行了研究。结果表明:相同冲击压力条件下,薄壁金属圆柱管表面粗糙度越大,材料越容易发生膨胀破裂;裂纹萌生于外壁面,由外向内扩展,并且裂纹的扩展主要受裂纹处应力状态的影响;薄壁金属圆柱管的断裂模式由拉伸和剪切断裂机制起主导作用,其断口为拉剪混合型断口。

爆轰加载下金属柱壳膨胀断裂实验

采用高速摄影技术对20号、45号和T2紫铜柱壳的膨胀断裂进行了实验研究，得到了3种材料特定尺寸柱壳在爆轰加载下的膨胀断裂特征应变和特征时间(见表1)。

铍青铜柱壳膨胀断裂研究

利用高速摄影和金相分析研究了不同热处理状态的铍青铜柱壳在爆轰加载下的膨胀断裂特性。1号柱壳未经过热处理，2号柱壳和3号柱壳均经过固溶时效处理，时效温度分别为340℃和380℃。3种状态铍青铜柱壳膨胀断裂的典型图像如图1所示。由图1可见，1号柱壳与后两种柱壳相比，表面裂纹产生及发生贯穿断裂而导致产物泄漏的时刻明显推迟；而后两种状态之间，柱壳裂纹产生及产物泄漏的差异不明显。

缺陷对圆管膨胀断裂影响的实验研究

采用高速分幅摄影技术,通过对比实验,获得了清晰的无缺陷和预制缺陷金属圆管膨胀断裂的演化图像。实验结果表明,缺陷大大加速了圆管的断裂过程;有缺陷圆管的产物开始泄漏的时间比无缺陷圆管提前5.5μs,采用应力/应变集中法很好地解释了这种现象。另外,针对预制缺陷圆管膨胀断裂时出现的裂块较小而数量较多、无缺陷圆管膨胀断裂时裂块相对较大而数量较少的现象,采用Mott波理论进行了合理的解释。

壁厚对HR2钢柱壳爆轰加载下膨胀断裂行为的影响

通过对6、12 mm两种不同壁厚的HR2钢柱壳进行爆轰加载实验,对其断裂碎片的宏观形貌、断口的微观形貌以及横截面的变形微观结构进行系统表征,研究了金属柱壳在爆轰加载下的膨胀断裂机理。结果表明,在膨胀断裂过程中壳壁厚度的增大导致HR2钢柱壳由纯剪切断裂变为拉剪混合的断裂模式。断裂碎片的微观结构分析结果表明,柱壳的断裂实际上是剪切裂纹从样品内部剪切带形核并扩展、和拉伸裂纹沿柱壳外表面的形核扩展的共同作用及竞争的结果。薄壁柱壳断裂由样品内裂纹沿剪切带的形核和扩展主导发生剪切断裂,而厚壁柱壳中内侧的裂纹沿剪切带的形核和扩展,但是最外侧则为环向拉应力主导发生拉伸断裂,因此表现出拉剪结合的断裂模式。

不同热处理条件下45^#钢柱壳膨胀断裂研究

对不同热处理条件下的45^#钢样品进行静态力学性能测试，采用高速摄影技术对相应状态的柱壳在爆轰加载下的膨胀断裂过程进行研究，并对回收破片进行金相分析。结果表明：回火温度对45^#钢壳体的静态力学性能产生明显影响；相应柱壳的动态膨胀断裂性能也有明显差别。

延性金属膨胀环的运动及断裂的三维数值模拟

利用LS-DYNA三维动力有限元软件对延性金属环的膨胀运动与断裂进行数值模拟。在膨胀环圆周加入泊松随机分布断裂成核点,利用J-C本构模型,研究诸如颈缩形成时间、颈缩区与均匀变形区的温度、应力、应变的对比等颈缩形成机理,以及讨论了环圆周上断裂成核点的泊松随机分布碎裂特性的影响。数值计算结果与实验结果、理论分析结果吻合较好,表明施加泊松随机断裂成核点的数值模拟方法是合理的。

基于SHPB装置的膨胀圆柱管实验技术

采用改进的SHPB实验装置对45钢薄壁金属圆柱管进行了膨胀断裂加载,完成了不同变形程度(覆盖圆柱管整个变形及断裂过程)圆柱管的冻结回收实验。回收样品可用于断裂机理研究分析,通过数值模拟辅助分析和实验数据拟合得到了圆柱管凸起处的径向应变、应变率和环向拉伸应力。通过在圆柱管端粘贴应变片监测断裂信号的方式,准确判断了圆柱管凸起处发生断裂的时间,以及径向断裂应变、应变率和环向拉伸断裂应力,在102～104 s-1应变率范围内,SHPB实验装置可用于研究金属圆柱管膨胀断裂。

线起爆膨胀柱壳实验加载及诊断技术

基于电爆炸丝引爆炸药、继而驱动尼龙对金属柱壳进行碰撞加载的方式,在金属柱壳中部、半柱高范围内实现了一维柱面膨胀加载。同时,基于沿轴向的加载(或径向速度)一致性和沿环向的加载(或径向速度)轴对称性,提出了一维柱面加载的有效性判据。相比于滑移爆轰加载,一维柱面加载方式具有应力状态相对简单、易简化为二维轴对称问题分析的优点。在柱壳断裂诊断方面,建立了分布式表面速度诊断方法来监测柱壳圆周范围内的初始断裂。其原理为:均匀承载壳体断裂引起的局部承载失效将导致均匀速度曲线簇出现分叉(或演化趋势变化)。与高速分幅照相诊断方法相比,分布式表面速度诊断方法可准确获取柱壳圆周范围内的初始断裂信息(含断裂时刻和断裂位置)。利用建立的线起爆膨胀柱壳实验加载和诊断技术,获得了304钢和45钢柱壳的一维柱面动态拉伸初始断裂性能数据(含断裂应变、平均应变率),其中,45钢柱壳的断裂应变(或延展性)低于304钢柱壳的。

不同热处理条件下45钢柱壳的动态性能

以不同热处理条件下的45钢作为研究对象,利用高速摄影和金相分析来研究45钢柱壳在爆轰加载下的膨胀断裂特性,以及不同热处理条件对材料的动态断裂性能的影响。结果表明:随着回火温度的升高,45钢强度减小、静态延伸率增大,爆轰加载时柱壳表面裂纹产生及发生贯穿断裂而导致产物泄漏的时刻逐渐推迟,相应应变逐渐增加,同时回收到的破片尺寸逐渐增大;四种45钢的静态力学性能及动态断裂性能有明显差异,是因为不同热处理条件下,材料细观组织的结构、组成均发生较大变化,即材料的细观组织决定了材料的静态力学性能及动态断裂性能。

高应变率下金属柱壳动态变形及形成破片特性研究

针对高应变率下金属柱壳动态变形及断裂响应问题,以50SiMnVB钢和40CrMnSiB钢壳体材料为研究对象,应用超高速摄影技术以及Autodyn数值模拟软件研究了壳体在高应变率下的动态变形过程。获得了壳体外壁自由面径向位移以及速度变化规律,并对回收所得破片的尺度分布规律以及断裂特性进行了分析。结果表明:壳体内部裂纹贯穿整个壁厚发生在20~25μs之间;40CrMnSiB钢壳体达到的稳定速度比50SiMnVB钢壳体提高了8.1%;试验回收所得壳体环向方向断裂形成的破片宽度变化呈正态分布,且40CrMnSiB钢壳体形成的破片质量在0.1 g以上数目比50SiMnVB钢壳体增加了49%,破碎程度更加严重。