结构与载荷特性对金属柱壳碎裂破坏过程的影响

摘要

金属柱壳内部爆炸加载下的膨胀断裂研究起始于上世纪40年代，经过多年的研究，已取得了一些研究成果，但柱壳外爆膨胀实验所得到的破坏现象存在较大差别，包括拉伸型破坏、拉剪混合型破坏、剪切型破坏及层裂破坏等，一些碎片中还存在绝热剪切带，这表明金属柱壳外爆膨胀破坏过程可能由多种因素影响控制。因此，区分出各种因素的影响机理及主次关系，对于现代武器设计、防护结构分析中有着重要意义。 本文通过数值有限元模拟计算及微观实验研究，探讨分析了爆炸载荷特性、加载率、模型损伤参量等因素对柱壳破坏的影响，其中重点研究柱壳外爆时破坏模式产生及转变的机理、控制影响因素，研究结果表明： （1）理想均布载荷作用下，均质无缺陷的金属柱壳存在两种破坏模式：低压时，破坏从内壁起始；高压时，破坏从中部起始。其中，载荷峰值是形成不同破坏模式的控制因素，壁厚改变不影响破坏模式转变规律，载荷脉宽则改变损伤破坏的严重程度。 （2）载荷峰值引起的加载率变化对断裂应变影响中，存在“塑性峰”现象，载荷脉宽引起的加载率变化与断裂应变的关系中则未出现该现象，认为载荷峰值是引起“塑性峰”特征的控制因素，证明了载荷峰值对破坏模式的主导作用，而与加载率的变化无关，但加载率可以较好的表征碎片特征尺寸分布。 （3）J-C损伤参量D3数值变化对柱壳破坏模式，及载荷峰值影响下的破坏模式转变规律均造成了较大影响。当D3取正值并逐渐增大时，柱壳在较低的压力作用下产生了中部起裂，甚至是外壁起裂的破坏模式。在固定D3的情况下，载荷峰值仍为控制断裂应变及破坏模式转变的主导因素。 （4）20钢柱壳在较低爆炸压力作用下，断裂裂纹起始于柱壳壁厚中部，随膨胀变形发展向内、外壁扩展，形成拉-剪混合断裂。这与传统认为拉伸裂纹一般从柱壳外壁起始不同。实验结果很好的解释了许多柱壳爆炸实验中外壁出现裂纹的时间早于爆轰产物泄漏时间与动态有限元变形分析中外壁应力、应变始终处于较小状态之间的矛盾。

目录

声明

1引言

1.1研究背景与意义

1.2金属柱壳结构膨胀破裂研究进展

1.2.1实验技术

1.2.2断裂准则

1.2.3断裂机理

1.2.4 数值模拟

1.3本文主要研究内容

2载荷特性对金属柱壳爆炸膨胀断裂影响的有限元分析

2.1引言

2.2有限元模型

2.2.1基本假设及几何模型

2.2.2 有限元网格模型及本构

2.3计算结果及分析

2.3.1载荷峰值对破坏的影响

2.3.2 不同压力破坏机理分析

2.3.3 不同载荷脉宽下破坏特征

2.4小结

3加载率对金属柱壳爆炸膨胀碎裂影响的有限元分析

3.1引言

3.2有限元模型

3.2.1几何模型与载荷

3.2.2有限元网格模型

3.2.3材料及失效模型

3.3计算结果及分析

3.3.1载荷峰值引起的加载率变化对破坏的影响

3.3.2载荷脉宽引起的加载率变化对破坏的影响

3.3.3加载率对碎片特征量的影响

3.4小结

4J-C损伤参量对柱壳壁内应力状态及破坏影响的有限元分析

4.1引言

4.2有限元模型

4.2.1几何模型与载荷

4.2.2有限元网格

4.2.3 材料及失效模型

4.2.4应力状态影响项各参数作用

4.3计算结果及分析

4.3.1 J-C损伤失效参量D3对破坏的影响

4.3.2不同损伤参数破坏机理分析

4.3.3 载荷峰值的影响

4.4.1 D3引起的加载率变化对破坏影响

4.4.2载荷峰值引起的加载率变化对破坏影响

4.5小结

5金属柱壳外爆拉伸-剪切型断裂的微观实验研究

5.1引言

5.2试样及实验加载方法

5.3实验结果与分析

5.4分析讨论

5.5小结

6总结与展望

6.1全文总结

6.2进一步的工作内容

参考文献

致谢