爆轰加载下金属柱壳膨胀破裂过程研究

采用前照明的高速分幅照相对不同壁厚的45钢柱壳在爆轰加载下的膨胀破裂过程进行了研究,实验成功拍摄到45钢柱壳前表面裂纹生成、扩展及产物泄漏的过程图像。研究表明:膨胀应变率在104s-1附近时,随着应变率的增加,45钢柱壳的各特征应变均有所增加,断裂模式由拉剪混合向单一剪切转变;45钢柱壳的膨胀破裂有一个过程,从柱壳的外壁面可以观察到裂纹生成至产物开始泄漏经历时间历程的长短与柱壳壁厚相关,柱壳壁越厚,从外壁出现裂纹到产物开始泄漏的时间间隔越长;由回收破片厚度测量推算出的膨胀断裂应变与动态实验过程中产物开始泄漏时的断裂应变基本一致。

金属柱壳在爆炸加载断裂中的单旋现象

系列实验结果表明,在较强的滑移爆轰加载下,许多金属材料的旋转柱壳会呈现一种奇特的单旋剪切失稳破坏模式———受驱动壳壁结构上众多剪切滑移带及断口取向一致化,在45°和135°两族剪切带中,出现一族占优的现象。通过高速分幅和X光照相对剪切裂纹在壳壁内、外表的生成发展图像的记录和碎片样品回收,结合过程应力分析,对微剪切断裂发展过程中环向和纵向关联的可能机制进行了分析讨论,但疑点仍较多。在分析柱壳的高应变率失稳行为时,对于与加载条件及几何构形紧密耦合的材料动载剪切强度、各向异性性质所扮演的角色需要进一步认识。剪切断裂的单旋与聚能罩内层无破坏的射流整体旋转现象表现方式和程度虽有差异,但可能有着共同本质,值得深入探索。

金属柱壳约束对非理想炸药驱动效率的影响

通过分析金属柱壳在内部炸药滑移爆轰作用下的动力学响应,建立了爆轰产物压力与壳体径向膨胀位移、材料动态屈服强度之间的关系式。基于Taylor假定确定了壳体完全破裂时爆轰产物压力的阈值。以两种具有相近格尼系数的RDX基含铝炸药为例,对该模型的适用性进行了验证。结果表明,相同壳体下,与无硝酸酯的RDX基含铝炸药相比,含硝酸酯的RDX基含铝炸药的驱动能量利用率具有明显优势。当壳体材料动态屈服强度从0.2GPa增至0.8GPa时,其有效作功能的相对增量约从7.5%迅速增大至15.2%,符合战斗部实际应用中的趋势,表明该分析模型可用于非理想炸药驱动作功性能的综合评价。

爆炸加载下装配垫片对金属柱壳膨胀断裂影响研究

采用多普勒光纤探针测速技术(Doppler pins system,DPS,又称全光纤位移干涉测速技术)和高速摄影技术,研究装配垫片对金属柱壳膨胀断裂的影响,获得了有无垫片对应柱壳外表面位置的速度曲线和垫片对柱壳膨胀断裂影响明显的高速摄影图像。实验结果表明:与无垫片区域相比,垫片区域的柱壳外表面经历了先凸起后内凹的过程,导致垫片对应柱壳的径向运动位移发生反复错位,最终低于无垫片区域约0.34 mm,该位移差可能导致柱壳发生径向剪切断裂;实验结果还表明,在垫片与间隙交界处两侧(沿垫片方向约7.5°、沿间隙方向约9°)处各增加了一条裂纹,该断裂模式既不同于环向拉伸断裂,也不同于45°的剪切断裂,而是由垫片/间隙边界产生的两束稀疏应力波传到柱壳外表面引起的扰动影响所致,这个新的断裂模式与柱壳材料的动态力学性能密切相关。数值模拟结果表明,装配垫片对柱壳断裂机制影响不仅包含该处附加的质量效应,还应考虑炸药通过垫片后作用在柱壳上的冲击加载幅值变化、冲击加载时序与其他部位不同步的差异,以及垫片/间隙交界处引起的表面波传播对柱壳断裂模式的后续发展行为的影响。

内爆加载下金属柱壳的冻结回收方法

针对内爆炸载荷下膨胀态金属柱壳的回收问题,设计了冻结回收试验方法,实现了起爆后不同时刻金属柱壳的冻结回收。基于一体式壳体提出了3种改进结构,并分别对4种柱壳结构在内爆载荷下的膨胀断裂过程进行数值模拟。结果表明,两段式结构最有利于减小非起爆端对预期回收中间段壳体的影响。根据选定的最优壳体结构和金属柱壳在起爆后不同时刻的膨胀外形特征,设计与之匹配的冻结回收装置并进行冻结回收试验。试验结果表明,设计的冻结回收试验方法可以实现膨胀态金属柱壳的回收,回收壳体的轴向和径向尺寸与设计理想值符合较好,整体误差可控制在10%以内。

金属柱壳外爆膨胀断裂特性的数值模拟研究

金属柱壳爆炸膨胀碎裂过程及机理一直是人们关注的。本文利用数值实验方法分析了载荷特性及具有初始几何缺陷金属柱壳在爆炸膨胀过程中剪切局域化过程及破坏特性。结果显示:载荷特性对柱壳破坏有影响,对于理想的、没有任何缺陷的柱壳模型,在较高载荷峰值(35GPa)时,柱壳首先在厚度中间沿环向产生微裂纹演化的破坏,并形成变形局域化的剪切带沿45°或135°向内、外表面扩展,且脉冲越长,产生剪切带间距越小。在较低载荷峰值(25GPa)时,在厚度中间直接形成45°或135°剪切裂纹,并向内、外表面扩展;对内表面具有初始几何缺陷的金属柱壳,与理想模型的破坏不同,首先在柱壳内表面形成剪切带,向外表面扩展,并且随缺陷的初始扰动增大,剪切带间距增大。

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;1.9mm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1.2mm,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。

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)。

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。

基于边缘检测的柱壳实验图像分析方法

为实现金属柱壳爆轰加载实验中内界面照相图像的自动处理，获得内界面的特征参数，研究建立了基于边缘检测的图像分析方法。采用M—H算子对图像进行边缘检测，并提出双线边缘输出方式避免出现边缘交叉连通问题，获得描述柱壳内界面轮廓的连续闭合边缘；研究了内界面轮廓曲线的自动提取方法和等效圆半径测量方法等。应用结果表明，该方法可实现柱壳实验图像的精确、自动处理，快速获得内界面等效圆半径等定量物理参数；也可用于类似实验图像的分析处理。

TA2钛合金开口柱壳外爆碎片分布研究

金属柱壳爆炸膨胀断裂机制及其对碎片分布、特征尺寸的影响是应用物理、力学、兵器工程等领域共同关心的重要课题,但目前除数值模拟外,考虑断裂机制的简单二维碎裂模型尚未出现.开展TA2钛合金开口柱壳在不同装药条件下的碎裂实验研究,通过对软回收碎片的统计及微观分析,探讨金属柱壳外爆断裂模式及二维碎片分布规律,结果显示:(1) TA2钛合金柱壳在实验爆压(7~25 GPa)下宏观断口均为剪切断裂模式,但机制不同,在较高爆压下柱壳剪切断裂由多重绝热剪切带破坏控制,在较低压力下为剪切破坏;(2)与一维拉伸碎裂相比,柱壳爆炸碎裂不充分,碎片质量更符合β=1 (或更接近1)的指数分布;爆炸碎裂越充分,碎片越小并趋于均匀,β趋于较小的值,趋向Mott和Linfoot提出的泊松统计分布形式;(3) Rayleigh分布可以较好描述柱壳碎片的宽度分布规律,不同爆压下柱壳碎片宽度归一化尺寸分布具有相似性,呈现"量子化"特性,即存在最小的特征尺寸;(4) TA2柱壳碎片特征尺寸远大于G-K剪切断裂公式预测的尺寸, G-K剪切式描述的是多重绝热剪切带间距.本研究为金属柱壳碎片特征、分布规律及其模型分析提供了重要参考.

不同载荷下TA2钛合金柱壳爆炸碎裂的实验研究

金属柱壳外爆的膨胀碎裂过程及机理十分复杂,与多个因素有关。对TA2钛合金柱壳在不同装药爆炸驱动下的膨胀碎裂开展实验研究,探讨载荷特性对金属柱壳变形、碎裂过程及碎片特征的影响。结果显示:在较高爆炸压力作用下,柱壳厚度方向的中间部位首先形成损伤带,碎裂破坏从该处起始向内、外表面扩展,且随着载荷脉宽的减小,试样厚度中部的损伤带却更趋严重,试样外表面产生层裂破坏现象;在较低爆压下,断裂裂纹从内壁起始,沿45°或135°方向剪切扩展,断裂机制与较高爆压下不同。分析认为,不同特性爆炸冲击波来回反射、相互作用会导致不同机制竞争,影响柱壳断裂起始、裂纹扩展过程及模式。