聚碳酸酯的Taylor撞击实验及光塑性分析

对φ22mm×64mm的圆柱形聚碳酸酯弹丸进行了速度为118m/s～278m/s范围内的Taylor撞击实验研究,用高速相机和PVDF测力薄膜监测得到了不同撞击速度下Taylor圆柱的变形过程和撞击面压力变化规律,并对撞击后的试样进行了光塑性分析。结果表明,聚碳酸酯材料在低速撞击时符合Taylor撞击的二阶段变形模式,在撞击速度较高时满足三阶段变形模式,而且撞击端面的压力呈现出振荡衰减,当撞击速度为278m/s时,撞击端面破坏,试样内部的应变存在变形模式的转变。

Lode参数对Taylor撞击数值仿真的影响

通过光滑试样及缺口试样单向拉伸等基本材性试验标定本构模型与断裂准则参数。断裂准则分别采用修正JC断裂准则以及洛德角相关断裂准则,将两种断裂准则嵌入到Taylor数值仿真有限元程序,将断裂准则的预测结果与试验结果进行对比,校验断裂准则的有效性。结果表明:LODE裂准则预报的杆弹延性明显过高。

圆柱形弹体Taylor撞击方法研究

研究了圆柱形弹体垂直撞击刚性靶体的Taylor撞击问题,提出了弹体撞击过程中未发生变形部分的速度变化规律,即二次非线性变减速运动,并通过弹体的运动方程对Taylor撞击进行了理论分析;同时利用再生核质点法(Reproducing kernel particle method,RKPM)对Taylor撞击过程进行了数值分析。利用该理论对五种具体材料进行分析,结果表明,解析结果与试验结果及数值分析结果吻合较好。

石英玻璃杆Taylor撞击实验的数值模拟

采用离散元方法模拟石英玻璃杆Taylor撞击问题,再现了其破坏过程:在撞击端,杆以压缩失效波的形式破坏;在自由端,出现了密集的拉伸层裂破坏.分析表明:层裂是失效波阵面应力快速下降引起的追赶卸载波,与弹性压缩前驱波在自由端反射引起的迎面卸载波相互作用的结果;随着撞击速度的增大,撞击端失效波造成的压缩破坏区域损伤程度增大,反射端层裂破坏损伤区域减小.进一步对失效波阵面的结构变化及其波速问题进行了研究,发现失效区域随着扩张变成一段裂纹逐渐由密到稀的区段,将此区段分为高损伤区和低损伤区,研究发现由稀疏微裂纹组成的低损伤区的前端面传播速度和弹性前驱波速基本相同,为固定值;而高损伤区前端面的裂纹密度随着传播距离的增加变稀,直至过渡为低损伤区,其传播具有显著的速度衰减、端面模糊直至停止的过程.高损伤前端面的平均速度随着撞击速度的增大而增大,并逐渐趋近于弹性波速.最后与已有实验做了对比,发现实验中高速摄影观察到的玻璃中"失效波"阵面实际上是高损伤前端面,而稀疏的低损伤微裂纹很难捕捉.

截卵形弹体Taylor撞击的变形特点和冲击载荷特性

以弹体在Taylor撞击实验中产生的冲击载荷以及载荷的潜在应用为主要关注点,采用理论与实验相结合的方法,对截卵形弹的撞击变形特点和冲击载荷特性进行研究。基于经典的平头弹Taylor撞击理论建立截卵形弹体的Taylor撞击分析模型,并对动量冲量守恒方程进行修正,修正后的模型预测结果更接近实际。设计并开展具有相同外径、相同质量的截卵形弹、平头弹的Taylor-Hopkinson撞击实验,对比两种头型弹体在变形模式、撞击载荷等方面的差异,分析产生不同脉冲形状冲击载荷的原因,讨论弹体在撞击过程中经历的整体高g值过载。结果表明:头部形状显著改变了冲击载荷的波形、脉宽特征,撞击速度主要影响冲击载荷的峰值;通过弹体头部形状设计和撞击速度控制能够实现冲击环境特性的调控;研究结果支持了将Taylor撞击实验应用于高g值实验加载的设想。

ZrCuAlNiNb非晶合金的Taylor撞击断裂行为研究

在氩气条件下,对ZrCuAlNiNb非晶及其晶体合金进行了撞击速度范围为78.9~155 m/s的Taylor撞击试验研究,利用高分辨率高速摄影对材料的失效断裂过程进行记录,并对失效断裂后的试件进行回收;利用扫描电镜对其断面微观形貌进行观察,分析材料在不同速度撞击下的失效断裂行为。ZrCuAlNiNb非晶合金由低速撞击下的单条主剪切带断裂到高速(≥150 m/s)撞击下的多条剪切带断裂的转变,而且多条沿着试件轴向方向次生剪切带形成;其复杂的受力导致多种断裂形貌,动态温升加剧了材料热软化效应。ZrCuAlNiNb晶体合金撞击靶板产生的裂纹主要沿着轴向扩展,在多条裂纹的相互作用下导致晶体合金失效破碎,断裂形貌呈现河流状的解理断裂形貌。对ZrCuAlNiNb非晶合金的力学性能及其失效行为研究可为推动Zr基非晶合金的工程应用提供理论指导与试验依据。

ZrCuAlNi合金的Taylor撞击断裂行为研究

开展了ZrCuAlNi合金在高纯氩气氛围下的Taylor撞击断裂行为研究,借助高速摄像以及扫描电镜记录试件的断裂行为。ZrCuAlNi非晶合金由低速撞击下的单条主剪切带断裂到高速下撞击的多条剪切带断裂的转变,通过对回收剩余试件的断口观察到多种断裂形貌,证明其受力复杂,而且断面温度明显升高。ZrCuAlNi内生非晶复合材料以轴向裂纹的传播,在多条裂纹的相互作用下导致材料破碎,断裂形貌呈现河流状解理断裂形貌。通过AUTODYN软件对ZrCuAlNi非晶合金在Taylor撞击实验中的损伤及扩展进行仿真分析,发现与实验结果一致性较好。

正反弹道Taylor撞击变形等效性研究

反弹道撞击试验在材料与结构的动力学响应研究领域已有广泛应用,相比正向Taylor试验,反弹道条件下Taylor撞击试验可获得更全面的弹/杆结构响应数据及量化测试结果.为研究正反弹道结构响应的等效性条件,开展不同长径比Taylor杆的正反撞击试验,获得了试件微秒量级的实时动态响应数据.利用数值模拟方法研究了不同撞击速度下结构变形、能量变化与塑性波的传播规律,从能量角度建立了两种撞击条件下结构变形的等效关系,在靶弹质量比大于20的条件下,正反撞击塑性功偏差小于5%.

1100铝合金Taylor杆撞击变形与断裂数值模拟研究

Taylor杆撞击实验指的是平头金属杆弹正撞击光滑的刚性板,其最初目的用来获取材料动态性能参数或者进行材料动态本构方程的验证。将Taylor杆撞击速度进一步提高,可以使圆柱弹体发生开裂、开花甚至破碎失效,为研究冲击载荷下材料的断裂失效行为的提供了一个较好的手段。本文在已有1100铝合金Taylor杆撞击实验结果的基础上,结合材料性能测试,开展了对应的ABAQUS/EXPLICT数值模拟研究,获得了与撞击实验一致的变形和断裂模式,且各变形与断裂模式的速度范围和实验也非常吻合。在此基础上,提取数值模拟中失效单元的关键信息,揭示了1100铝合金Taylor杆撞击失效机理。

Lode相关断裂准则在6061-T6511H铝合金Taylor杆断裂预报中的应用

为校验Lode参数相关断裂准则的有效性,在一级轻气炮上开展了直径5.9 mm的6061-T6511H铝合金圆柱杆撞击刚性靶的Taylor试验,撞击速度范围为163.4~327.7 m/s,得到了镦粗和剪切开裂两种变形和断裂模式。为表征6061-T6511H铝合金的力学行为,开展了多应力状态、多温度下的材料性能测试,结合试验结果和有限元计算标定了修正的Johnson-Cook本构模型和修正的Johnson-Cook断裂准则及一种新近提出的Lode参数相关的断裂准则。最后,在ABAQUS/Explicit中建立了三维有限元模型,采用标定的Lode参数相关和无关的断裂准则开展了数值Taylor撞击试验。结果表明,Lode参数相关的断裂准则可对6061-T6511H铝合金Taylor杆的断裂行为给出合理预报,而Lode参数无关的断裂准则过高估计了材料的延性没能预报到相关断裂行为。

泡沫子弹撞击刚性靶板的理论模型

Taylor撞击常用于测试材料的动态屈服强度。泡沫压缩密度与压缩应变的关系对泡沫子弹Taylor撞击的理论分析起着重要的作用。本文通过引入塑性泊松比,得到了泡沫压缩密度与压缩应变的准确关系,进一步建立了可压缩泡沫子弹撞击刚性靶板的理论模型。当塑性泊松比为常数时,文中建立的泡沫受压后密度比的一阶泰勒展开式可以退化到已有模型。当塑性泊松比为塑性应变和子弹相对密度的函数时,相对密度会影响泡沫子弹的冲击响应历程及最终变形,但对撞击持续时间影响较小。同时,初始速度也会影响子弹最终变形和撞击持续时间。本文的理论工作可以为分析泡沫材料的动态力学行为提供有益指导。

45钢的J-C损伤失效参量研究

为了在结构碰撞效应的有限元分析中描述材料行为,通过开展45钢在不同应力状态和温度下的准静态材料力学性能实验及拉伸SHB实验,考察了应力状态三轴度、温度和应变率对材料失效应变的影响。由实验数据得到了Johnson-Cook失效模型参量,并通过出现失效的Taylor撞击实验和数值模拟进行了一定的验证,表明模型描述与实验结果的趋势一致。

基于J-C模型的Q235钢的动态本构关系

采用万能材料试验机、分离式霍普金森压杆和拉杆系统,研究了Q235钢在常温至900℃的准静态和动态压缩及拉伸力学性能。基于实验结果,修正了Johnson-Cook(J-C)本构模型中的温度软化项,提出了Q235钢的修正J-C本构模型,并利用Taylor撞击实验和数值仿真验证了其动态本构关系。

7A04铝合金的本构关系和失效模型

使用万能材料试验机、扭转试验机和Taylor撞击实验研究了高强铝合金7A04在常温至250℃的准静态、动态本构关系和失效模型。基于实验结果,修改了Johnson-Cook强度模型中的应变强化项以及Johnson-Cook失效模型中的温度软化项,并结合数值模拟标定了模型参数。实验结果表明,7A04铝合金的应变和应变率强化效应不显著,失效应变随温度的增加、应力三轴度的减小和应变率的减小而增加。

基于J-C模型的Q235钢的失效准则

使用Instron材料试验机、霍普金森拉杆(SHTB)对Q235钢试件进行了不同温度下的准静态和动态拉伸实验,研究了温度、应变率及应力三轴度对Q235钢失效应变的影响,结果表明:Q235钢失效应变随温度的升高而增加,随应变率的增加而减小,随应力三轴度的增加先减小后增加再减小。基于实验结果对Q235钢J-C失效模型中的温度项进行了修正,并结合数值模拟提出了基于J-C失效模型的应力三轴度三分段式失效准则,通过Taylor撞击实验和数值模拟对给出的模型相关参量进行了验证,实验与模拟结果吻合较好。

基于J-C模型的45钢本构参数识别及验证

使用万能材料试验机、霍普金森拉杆(SHTB)和Taylor撞击试验研究了调质处理的45钢在常温～1 000℃、应变率10^(-4)～10~3 s^(-1)下的力学行为。拟合试验数据,结合Taylor撞击试验反算,得到了J-C本构相关参数和C-L断裂准则的模型参数。通过对高速下Taylor撞击试验中弹体变形和断裂的数值仿真与试验结果的比较,验证了模型及参数对预测调质处理的45钢动态大变形和断裂的有效性。

Q355B钢动态材料性能研究

作为Q345钢的替代钢种,Q355钢将于2019年2月起大量应用于建筑工程中。基于结构抗冲击爆炸性能研究的需要,其动态材料性能的研究具有迫切性和必要性。应用万能材料试验机与分离式霍普金森压杆系统对Q355B钢在不同温度、应变率及应力状态下的力学性能进行了研究。发现塑性流动应力与断裂应变随温度的上升分别呈现非线性下降与上升趋势,采用试验为主数值模拟为辅的方法分别标定了修正Johnson-Cook本构关系与修正Johnson-Cook断裂准则。最后,开展了Q355B钢Taylor撞击试验,验证了修正Johnson-Cook模型及其参数标定的有效性。

TC4动态力学性能研究

材料的本构模型参量是结构冲击动力响应数值模拟的基础.本文运用静态实验机和SHB装置,对TC4在常温～750C°、应变率10-4 ～103s-1下的力学行为进行了研究,得到了相应的塑性本构模型参量.通过Taylor撞击实验及其数值模拟对本构模型参量进行了验证,表明所得参量可较好描述冲击载荷作用下材料的塑性力学行为.

冲击压缩下石英玻璃柱的破坏实验研究和数值模拟

本文开展了一维应力冲击压缩下玻璃圆柱的压缩破坏实验研究.利用高速气枪装置发射石英玻璃圆柱试件垂直撞击刚性壁(Taylor撞击),采用超高速摄像机拍摄试件的冲击压缩破坏现象.实验中观测到一个产生于碰撞边界,向圆柱内部传播的移动破碎阵面,即失效波.在冲击压缩区内失效波的传播速度介于2~4 mm·μs^(-1)之间,随着冲击压缩载荷的增大而增大,随传播距离的增加而减小.经过一定时间,在试件的对向自由端区域,产生一个拉伸应力主导的碎裂区;与玻璃柱试件两端严重的破碎区域相比,试件中部产生一个相对透明区,其破碎程度较低.采用应力波分析方法说明了试件内部不同破碎特征区域的形成机理;采用离散元方法对实验过程进行数值模拟,取得了与实验现象一致的结果.