《中国科学技术大学》2013年博士论文

发布时间：2016-11-03 12:15

  本文关键词：韧性材料的动态碎裂特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

《中国科学技术大学》 2013年

韧性材料的动态碎裂特性研究

郑宇轩  

【摘要】：材料在冲击拉伸载荷的作用下常常会断裂成多个碎片,对材料动态碎裂机制的研究是力学、应用物理学、航空航天和兵器工程等多个领域共同关心的重要课题。关于材料的碎裂化现象,一个直观的问题是：在给定材料性能及载荷条件时,能否成功预测产生碎片的几何尺寸?而更进一步的问题则是：产生碎片的尺寸有没有统计特征? 针对韧性金属材料,Grady和Kipp将一个与断裂能相关的内聚力断裂模型引入Mott卸载波传播分析中,推导出了一个预测韧性材料拉伸碎裂过程中产生碎片的平均尺度的公式。为检验该公式的适用性,本文利用ABAQUS/Explicit动态有限元软件模拟了一维应力状态下的弹塑性金属(45号钢杆和TU1无氧铜膨胀环)在高应变率拉伸变形过程中的碎裂现象,并研究了Grady-Kipp公式中的关键参数如应变率、材料断裂能和材料密度对碎裂过程的影响。研究结果表明：Grady-Kipp公式在广泛的材料参数和应变率范围内能较好地预测碎裂过程中产生的碎片的平均尺寸。 为研究韧性碎片的分布规律,通过对具有不同初始膨胀速度的膨胀环断裂产生的碎片尺寸进行统计分析发现：1)无论初始膨胀速度如何,碎片归一化尺寸的分布具有相似性,可以用一个统一的具有初始阈值的Weibull分布来描述,这个分布还可以近似的简化为Rayleigh分布；2)碎片尺寸的累积分布曲线呈现阶梯特性,表现出较为明显的“量子化”特性。建立了一个Monte-Carlo模型,概率模拟结果表明：碎片尺寸分布的阶梯分布特性与初始颈缩间距的分布特性相关,初始颈缩间距分布所服从的Weibull分布的宽度决定了后期碎片尺寸分布的光滑程度,颈缩间距分布的跨度越小,碎片尺寸分布的“量子化”特性越明显。 在材料制造和试件加工过程中不可避免地会引入初始缺陷,这些缺陷的空间分布往往具有一定规律。为研究初始缺陷对材料高应变率碎裂过程的影响,本文采用有限元方法模拟了具有周期性几何缺陷的韧性金属圆杆在高应变率拉伸过程中的碎裂现象。模拟结果表明：1)与无初始缺陷的韧性杆件相比,具有一定幅值的初始缺陷的杆件在同等拉伸速度下发生断(碎)裂的时刻一般提前；2)初始缺陷对碎片的尺寸和大小分布具有明显影响,在一定的应变率范围内,周期性缺陷完全控制了韧性材料碎裂过程中产生碎片的个数,可称这个碎裂过程为“缺陷控制碎裂”；3)改变初始缺陷的空间间距和幅值,出现“缺陷控制碎裂”的应变率窗口将发生明显变化。并进一步讨论了具有双幅值和双周期的复合缺陷对拉伸碎裂过程的影响。 提出了一种基于分离式Hopkinson压杆(SHPB)的冲击膨胀环实验装置,为研究材料的动态拉伸碎裂问题提供了一种简单实用的加载方式。实验装置包括一个液压腔,一侧为驱动活塞,另一侧为圆环试件封闭。对活塞施加轴向冲击,利用液体体积近似不可压缩的特性,通过液压腔截面积的大比例缩小,将较低速度的对活塞冲击转化为高速的圆环试件沿径向膨胀,从而驱动试件发生拉伸变形直至断(碎)裂。利用此冲击膨胀环实验技术,获得了韧性金属环在不同速度下的碎裂结果。断口分析表明韧性金属环断口均是由周向拉伸应力拉伸断裂而成。随着子弹撞击速度增大,韧性金属的表观断裂应变呈增加的趋势,碎裂产生的碎片尺度呈减小趋势。 采用理论方法分析了刚-理想塑性材料中,多个等间距裂纹同时开动时的卸载波(Mott波)传播、以及裂纹之间材料的卸载过程。模拟分析了中间位置包含缺陷的一维弹塑性杆的高应力率拉伸下的碎裂过程,计算结果显示初始长度和碎裂时间之间关系呈U型关系,即存在一个最优裂纹间距,对应于最快的裂纹体卸载过程。而最优裂纹间距的位置均落于Grady-Kipp公式给出的韧性碎片尺寸分布附近,即Grady-Kipp等给出的韧性材料碎片尺寸恰好对应着最快速卸载原理。 数值方法模拟了二维弹塑性平板在高应变率拉伸过程中的碎裂现象,通过对碎裂过程产生碎片的平均尺度的分析来验证Grady二维韧性碎裂尺度公式的适用性。模拟结果表明,Grady推广的二维碎片尺度公式显著高估了碎片尺度,理论碎片面积值约为数值实验结果4-5倍。相对一维情况下,二维碎裂过程中两轴的拉伸载荷使得颈缩发展历程较短,材料提前断裂,从而Mott波传播距离相对较短了,进而碎片尺度更小。

【关键词】：
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TG111.91
【目录】：

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1 胡八一,董庆东,韩长生,胡海波,王德生,高新华;爆炸金属管的绝热剪切断裂宏观研究[J];爆炸与冲击;1992年04期

2 胡八一,董庆东,韩长生,王德生,胡海波;内部爆轰加载下的钢管膨胀断裂研究[J];爆炸与冲击;1993年01期

3 胡八一,董庆东,韩长生,胡海波,王德生;爆炸金属管绝热剪切断裂的细观研究[J];爆炸与冲击;1993年04期

4 胡昌明,贺红亮,胡时胜;45号钢的动态力学性能研究[J];爆炸与冲击;2003年02期

5 汤铁钢,谷岩,李庆忠,华劲松,孙学林;爆轰加载下金属柱壳膨胀破裂过程研究[J];爆炸与冲击;2003年06期

6 陈刚,陈忠富,陶俊林,牛伟,张青平,黄西成;45钢动态塑性本构参量与验证[J];爆炸与冲击;2005年05期

7 汤铁钢;李庆忠;孙学林;孙占峰;金山;谷岩;;45钢柱壳膨胀断裂的应变率效应[J];爆炸与冲击;2006年02期

8 桂毓林;孙承纬;李强;张光升;;实现金属环动态拉伸的电磁加载技术研究[J];爆炸与冲击;2006年06期

9 桂毓林;孙承纬;路中华;李强;张光升;;一维快速拉伸下无氧铜的动态断裂与破碎[J];爆炸与冲击;2007年01期

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1 陈磊;韧性金属圆环的动态膨胀和碎裂过程的数值模拟[D];宁波大学;2011年

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1 孙建运;李国强;;动力荷载作用下固体材料本构模型研究的进展[J];四川建筑科学研究;2006年05期

2 康丽霞,王耀华,何春霞,蔡立艮,周春华;爆炸载荷下紫铜断裂机理的实验研究[J];兵器材料科学与工程;2002年03期

3 何源;何勇;潘绪超;;含能破片冲击薄靶的释能时间[J];火炸药学报;2010年02期

4 陈卫东;张忠;刘家良;;破片对屏蔽炸药冲击起爆的数值模拟和分析[J];兵工学报;2009年09期

5 金晶;吴新跃;;舰用橡胶隔振器空中爆炸冲击响应研究[J];兵工学报;2009年S2期

6 郭伟国;史飞飞;刘凤亮;;高强度船体结构钢DH36的动态力学性能研究[J];兵工学报;2009年S2期

7 李娟娟;宣海军;廖连芳;;轮盘碎片撞击圆筒体的试验研究[J];兵工学报;2009年S2期

8 秦飞;陈娜;胡时胜;;无铅焊锡材料的动态力学性能[J];北京工业大学学报;2009年08期

9 杨卓越,王富耻,王鲁,李树奎;钢管爆炸条件下绝热剪切带的作用和精细结构[J];北京理工大学学报;2001年04期

10 冀建平;;45~#钢热粘塑性本构参数的确定及应用[J];北京理工大学学报;2008年06期

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1 郑宇轩;周风华;胡时胜;;韧性碎裂过程中的最快卸载现象[A];塑性力学新进展——2011年全国塑性力学会议论文集[C];2011年

2 李桂花;周风华;;金属带板中绝热剪切带传播速度的数值模拟研究[A];塑性力学新进展——2011年全国塑性力学会议论文集[C];2011年

3 刘军;;三维有限元SPH耦合方法及在壳体破碎问题中的应用[A];中国工程物理研究院科技年报/2011年版[C];2011年

4 陈刚;陈忠富;;截锥形空心弹体侵彻薄靶板的数值模拟[A];计算爆炸力学进展[C];2006年

5 张世文;刘仓理;于锦泉;;微缺陷对圆管膨胀断裂影响的数值模拟[A];第八届全国冲击动力学学术讨论会会议论文集[C];2007年

6 汤铁钢;李庆忠;金山;杨元帅;;爆轰加载下金属壳体膨胀断裂应变的测定方法[A];第八届全国爆炸力学学术会议论文集[C];2007年

7 曲英章;彭刚;冯家臣;刘原栋;;一维霍普金森拉杆(SHTB)的纤维增强复合材料动态拉伸实验技术[A];Hopkinson杆实验技术研讨会会议论文集[C];2007年

8 石家仪;朱耀;庞宝君;武高辉;;Vol.40%SiCp/2024Al复合材料的动态力学性能[A];第十五届全国复合材料学术会议论文集（下册）[C];2008年

9 郭伟国;史飞飞;刘凤亮;;高强度船体结构钢DH36的动态力学性能研究[A];第九届全国冲击动力学学术会议论文集（上册）[C];2009年

10 ;Dynamic Fracture of Cylindrical Steel Shell under Inside-explosion Loading[A];第九届全国冲击动力学学术会议论文集（上册）[C];2009年

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1 黄西成;内爆与外爆加载下壳体的力学状态及破坏模式分析[D];中国工程物理研究院;2010年

2 范端;延性金属材料动态损伤演化的微细观表征与研究[D];武汉理工大学;2011年

3 鲁世红;高速切削锯齿形切屑的实验研究与本构建模[D];南京航空航天大学;2009年

4 朱耀;AA 7055铝合金在不同温度及应变率下力学性能的实验研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

5 肖新科;双层金属靶的抗侵彻性能和Taylor杆的变形与断裂[D];哈尔滨工业大学;2010年

6 邹东利;固溶态AM60B镁合金高速撞击变形及损伤行为[D];哈尔滨工业大学;2010年

7 陈光;基于韧性失效的航空轻合金切削机理研究[D];天津大学;2012年

8 何源;含能破片作用机制及其毁伤效应实验研究[D];南京理工大学;2011年

9 陈昊;聚能金属射流形成及侵彻过程中的动态变形研究[D];南京理工大学;2012年

10 张正军;基于半边结构的虚拟壳体爆炸建模理论与方法的研究[D];南京理工大学;2002年

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1 郭昭亮;含有预置缺陷的膨胀环动态断裂行为研究[D];中国工程物理研究院;2010年

2 是晶;42CrMo钢流变特性与位错动力学模型研究[D];沈阳理工大学;2010年

3 张振峰;基于不同比例三维切削仿真的研究[D];华东理工大学;2011年

4 蒋志涛;高速金属铣削加工的有限元模拟[D];昆明理工大学;2009年

5 王兰波;单自由度高频减振镗杆的设计与研究[D];沈阳理工大学;2011年

6 丁志伟;平板条叶片撞击金属靶板数值方法研究[D];浙江大学;2011年

7 刘旭阳;TC4钛合金动态本构关系研究[D];南京航空航天大学;2010年

8 郭丽娜;具有初始膨胀冲量的脆性固体变形断裂以及动态碎裂现象研究[D];宁波大学;2009年

9 贾存威;Hopkinson拉杆试验的优化与高导无氧铜本构关系及拉伸断裂研究[D];宁波大学;2009年

10 王铸钢;材料动态强度的试验研究、数值模拟与机理探讨[D];清华大学;2010年

【二级参考文献】

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1 胡时胜;霍普金森压杆技术[J];兵器材料科学与工程;1991年11期

2 王德生 ,李延年 ,马松合 ,石功勋 ,姚静娟;管内爆轰产物压力测量[J];爆炸与冲击;1984年03期

3 陈大年 ,王德生 ,马松合 ,石工勋 ,李延年;两类动态断裂[J];爆炸与冲击;1987年01期

4 包合胜 ,王礼立 ,卢维娴;钛合金在低温下的高速变形特性和绝热剪切[J];爆炸与冲击;1989年02期

5 胡八一,董庆东,韩长生,胡海波,王德生,高新华;爆炸金属管的绝热剪切断裂宏观研究[J];爆炸与冲击;1992年04期

6 胡八一,董庆东,韩长生,王德生,胡海波;内部爆轰加载下的钢管膨胀断裂研究[J];爆炸与冲击;1993年01期

7 胡昌明,贺红亮,胡时胜;45号钢的动态力学性能研究[J];爆炸与冲击;2003年02期

8 汤铁钢,谷岩,李庆忠,华劲松,孙学林;爆轰加载下金属柱壳膨胀破裂过程研究[J];爆炸与冲击;2003年06期

9 陈刚,陈忠富,陶俊林,牛伟,张青平,黄西成;45钢动态塑性本构参量与验证[J];爆炸与冲击;2005年05期

10 汤铁钢;李庆忠;孙学林;孙占峰;金山;谷岩;;45钢柱壳膨胀断裂的应变率效应[J];爆炸与冲击;2006年02期

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1 桂毓林;电磁加载下金属膨胀环的动态断裂与碎裂研究[D];中国工程物理研究院;2007年

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1 陈宙,蔡元坝,陈振涛;分子轨道法在C_6脂肪酮异构体电离碎裂过程中的应用[J];结构化学;1989年04期

2 ;脆性物料的碎裂实验研究[J];化工装备技术;1993年05期

3 柴文刚;卞则樑;徐梦山;赵玉芬;吉改姣;;N-二异丙基磷酰基氨基酸的电子电离和快原子轰击质谱的比较[J];化学学报;1987年09期

4 蔡元坝,陈振涛,陈宙;分子轨道法在四肽电离碎裂过程中的某些应用[J];分析测试学报;1989年01期

5 A.J.H.Boerboom,陈贺能;用于分析高分子量物质的质谱仪器[J];质谱学报;1984年02期

6 曹玲华;刘育亭;;N苷Amadori重排的研究(Ⅱ)——N-芳基糖基胺多乙酸酯的质谱研究[J];新疆大学学报(自然科学版);1986年03期

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8 詹东亮;朱育芬;吴俊军;张法义;唐大志;杨炜;唐士雄;;顺,反-4-三甲(代)甲硅烷基环己醇类似物及其衍生物的电子轰击质谱[J];化学学报;1992年01期

9 ;研究煤球强度的方法和装置[J];化肥工业;1976年Z1期

10 蒋冬青;辊压机碎裂过程数学模型的建立及计算机仿真[J];中国建材装备;1999年01期

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1 郑宇轩;周风华;胡时胜;;韧性碎裂过程中的最快卸载现象[A];塑性力学新进展——2011年全国塑性力学会议论文集[C];2011年

2 邬恩九;;中能重离子碰撞中的多重碎裂过程[A];第九届全国核物理大会论文摘要汇编[C];1994年

3 李斌;马新文;朱小龙;刘惠萍;钱东斌;;腺嘌呤的碎裂机制与辐照离子动能和势能强相关吗[A];第十五届全国原子与分子物理学术会议论文摘要集[C];2009年

4 郭丽娜;周风华;;脆性材料高应变率碎裂过程中的能量转化规律[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年

5 诸永泰;;中能重离子核反应中的弹核碎裂和轻粒子关联[A];第八届全国核物理会议文摘集（下册）[C];1991年

6 张英逊;吴锡真;李祝霞;;激发核系统中最大Lyapunov指数、密度涨落以及多重碎裂之间的关系[A];第十二届全国核物理大会论文集（上）[C];2004年

7 焦善庆;郭江;;重夸克动力学参数的味修正和质量谱[A];数学·物理·力学·高新技术研究进展（一九九六·第六期）——中国数学力学物理学高新技术交叉研究会第6届学术研讨会论文集[C];1996年

8 周风华;;冲击载荷作用下韧性金属的多重绝热剪切带的形成机理[A];第八届全国爆炸力学学术会议论文集[C];2007年

9 秦旸;刘欣;吴侔天;;几种合成类固醇的液相色谱/质谱检测研究[A];第八届全国体育科学大会论文摘要汇编（一）[C];2007年

10 熊信;谭福利;孙承纬;;10~5s~(-1)应变率下无氧铜靶板内细观损伤的统计分布[A];第八届全国爆炸力学学术会议论文集[C];2007年

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4 张秋霞;静止空气环境中粘性液膜碎裂的试验研究[D];长安大学;2008年

5 黄瑞典;基于夸克重组合模型的喷注内组分夸克的分布与关联研究[D];华中师范大学;2009年

6 郭丽娜;具有初始膨胀冲量的脆性固体变形断裂以及动态碎裂现象研究[D];宁波大学;2009年

7 侯婕;应用线性稳定性理论对粘性圆射流一级雾化色散关系式的推导[D];长安大学;2012年

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