| 图2实验装置图
图3 滑移爆轰下圆筒中裂纹的数值模拟
当微裂纹连接成片后，形成宏观裂纹，如图4所示层裂破坏局部图。从图中可以看出破坏模式，在宏观裂纹形成时，靠近内表面一侧伴随有很薄的层裂片，即出现多层裂纹，与图5的实验回收层裂图片[4]相比较，是接近的。计算模型中还调节了炸药的厚度，模拟发现：装药越薄，对应层裂片的厚度越小，反之亦然。但当炸药厚度增加到某个值时，不会出现层裂。这与实验观察[2, 3]是一致的。
因此可以认为，在不同装药厚度下，圆管的变形表现出不同的特征：a)装药较厚时，径向加载表现出长时间的压缩，钢圆管整体呈轴对称收缩，其径向变形较大，管壁厚度有较大增加，不发生宏观层裂；b)随着装药减薄，径向加载脉冲窄，钢圆管的收缩程度减小，在压缩波在内表面反射后，出现拉伸应力状态，可能出现层裂破坏；c)当装药继续减薄时，在压缩波在内表面反射后，出现较高的拉伸应力状态，超过材料的层裂强度，材料发生层裂。
 
图4 5微秒和11微秒时刻柱壳的层裂破坏局部图
图5 柱壳层裂实验回收图片
2)绝热剪切分析
当入射应力波呈现宽较脉冲时，自由面反射的应力波与入射波相互作用后，不会出现较高的径向拉伸状态，即不会发生层裂。此时的柱壳在运动初期，沿径向的受力状态多数时间为压应力，尤其是对于厚壁柱壳。在持续的压应力作用下，厚壁柱壳可能会发生绝热剪切破坏。
绝热剪切或剪切局域化，是高应变率变形中常见的一种重要失效机制[[iv],[v]]，已有大量文献对这种现象进行了研究。在本构关系方面，Clifton[[vi]]、Bai[[vii]]、Molinari和Clifton[[viii]]、Wright[[ix]]、以及Wright和Walter[[x]]等研究了绝热剪切局域化问题的本构关系并成功预测了绝热剪切启动的临界应变、带宽等。在绝热剪切方面的多数研究，关注的是单个剪切带的演化问题；Bowden[[xi]]和Shockey[[xii]]分析了多重剪切带(multiple shear bands)问题。Nesterenko等[[xiii]]采用厚壁圆筒径向塌陷，研究了外部压力作用下金属钛在高应变率变形过程中的自组织行为的剪切带以及剪切带的空间分布，他们的实验见图6。Xue 等[[xiv]]研究了Ti及Ti–6Al–4V合金的自组织剪切带问题。
 
图6 柱壳塌陷实验图以及绝热剪切带
设圆筒内任一点的初始半径和最终半径分别为 和 ，图7；内外表面的初始半径和最终半径分别为 和 的，则径向应变和轴向应变为：
由根据质量守恒，有：
那么，有效应变为：
可见，圆筒在向内塌陷过程中，内表面的应变不断增加，并随着 而趋向“无限大”。
厚壁圆筒在塌陷的早期，由于轴对称几何的特点，表现出平面应变的变形特定，应力状态可以考虑为静水压力和纯剪应力的叠加。最大剪应变发生在内表面，剪切带最初在这里萌生，并向壁内扩展。图8绘了剪切带的长度 、边界位移 、最终内边界的平均半径等[12]。
图7 特征单元的变形
图8剪切带的分布
对称结构中剪切破坏的数值模拟，一直是较为复杂的问题免费论文网。这种复杂性一方面来自材料本身，也就是材料本构模型的复杂性和绝热剪切敏感性；另一方面来自剪切破坏的数值算法。理论上，轴对称结构在对称外载作用下的运动也是完全轴对称的，如果材料是均匀的，那末爆炸作用下的壳体破片的尺寸将会是无限小，这与实验观察的现象不符。事实上，由于材料内部分布有初始缺陷，而这些缺陷的分布并不具有对称性，而是随机的，在这些初始缺陷处萌发损伤，这就导致了材料损伤以及损伤扩展具有随机性，以至于壳体发生整体非对称破裂。
为了模拟这种破坏的随机性，可以将材料的失效应力或失效应变定义为具有随机性特征，在本文的分析中，采用Mott分布来定义失效应变的概率分布方差[[xv]]：
式中： -断裂概率； -应变；C和 为材料常数。
下面采用分析Nesterenko等人的实验[[xvi]]，计算中的结构模型如图9所示，实验材料取304不锈钢，套筒材料取铜破坏模式，材料本构模型采用Steinberg模型。
图9 内爆加载下材料的绝热剪切实验图
图10至12分布给出了14微秒、15.7微秒以及21微秒时刻的304不锈钢柱壳的塑性变形图和损伤图。从这些图可以看出，剪切破坏最先发生在柱壳内壁，然后向外壁扩展。图13为304不锈钢柱壳的剪切破坏实验图。
 
图10 14微秒时刻的塑性应变图和损伤图
 
图11 15.7微秒时刻的塑性应变图和损伤图
 
图12 21微秒时刻的塑性应变图和损伤图
 
图13 304不锈钢的剪切破坏实验观察图像
计算中模拟了45度角的绝热剪切破坏图线，在本文的数值模拟中，如果不采用预置缺陷的随机分布，则难以模拟出最后的剪切破坏模式，这也说明：在破坏模式的数值模拟中，考虑材料的初始微缺陷分布时重要的，尤其对于具有随机性的剪切破坏。最终的破坏并没有出现同方向的螺旋型模式。当然，柱壳塌陷中的剪切带并非都是同方向的螺旋型模式，如钛和Ti–6Al–4V的剪切破坏，见图14。
 
图14 钛和Ti–6Al–4V的剪切实验图
4 结论
分析表明：内爆加载下，圆筒早期的破坏模式有层裂，发生层裂的条件取决于入射脉冲的幅值与脉宽。 内爆加载下，厚壁圆筒的破坏模式有绝热剪切破坏。这种情况发生在装药较厚时，壳体径向加载表现出长时间的压缩，结构运动呈现轴对称收缩（塌陷）。 如果材料属于绝热剪切敏感的材料，那末，圆筒将会发生绝热剪切破坏。内爆加载下，圆筒的破坏模式依赖于应力状态。不同的装药量和不同的壁厚，决定了结构中的应力状态，也决定了圆筒的破坏模式。采用数值方法，模拟了滑移内爆加载下圆筒的层裂，给出了圆筒中层裂前的裂纹分布与形态，数值模拟表明，在宏观裂纹形成时，靠近内表面一侧伴随有很薄的层裂片，即出现多层裂纹，数值模拟结果与实验观察进行了对比，吻合较好。采用Mott概率分布，模拟了内爆加载下圆筒塌陷过程中出现的剪切破坏，分析表明，剪切破坏最先发生在圆筒内壁，然后向外壁扩展。在破坏模式的数值模拟中，考虑材料的初始微缺陷分布时重要的，尤其对于具有随机性的剪切破坏。
致谢
感谢科技部973项目的资助(2010CB832700)，感谢中国工程物理研究院科学技术发展基金的资助(2009A0201008, 2007A04001)。
参考文献
spall and adiabatic shearfracture of metal cylinder subjected to implosive loading
HUANG Xicheng* Chen Yuze*Zhu Jianshi**
*/sup>sup>（/sup>Instituteof Systems Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900）br>
2/2 首页 上一页 1 2 |
