冲击压缩下石英玻璃柱中破坏波的实验研究和数值模拟

摘要

本文从实验和数值模拟两个方面开展脆性材料冲击破坏行为和破坏波现象的研究。本文主要的内容如下：（1）利用高压气枪发射玻璃圆柱体试件，试件垂直碰撞碳化钨（WC）靶体。用激光测速仪测量试件的撞击速度，并通过高分辨率超高速摄像机对冲击碰撞过程进行拍摄。实验结果表明，试件的破坏首先发生在冲击碰撞端面。冲击速度越高，玻璃柱所受冲击载荷越大，破坏现象产生的越快，玻璃柱破坏程度也越高。当试件正面冲击碰撞时，试件末端一度发生过反向扩张破坏，发生了层裂现象。试件倾斜冲击碰撞靶板时，晶体产生较大的位错滑移，并没有发生反向扩展破坏，最终都是塌陷式的破坏。（2）实验观测到一个产生于冲击碰撞界面且具有一定结构的移动破碎界面，即失效波。失效波的产生需要经历一定的弛豫时间，弛豫时间在数百个纳秒以内。根据实验结果分析表明，玻璃圆杆试件冲击纯压缩区失效波传播速度均匀。破坏波速随冲击载荷提高而增大，随传播距离增大而减小，速度范围为3 mm/μs～5 mm/μs。实验中发现玻璃柱试件两端破碎程度相对中间部分破碎程度高。中间部分产生一个相对透明区，这个透明区域是冲击碰撞后试样内冲击波与反射回来的稀疏波重叠卸载的一个区域。透明区的存在表明失效波的传播出现了停滞。（3）利用PFC软件对实验现象进行数值模拟。建立离散元分析模型，标定石英玻璃的物理参数。在模拟中可以更清晰地看到失效波在冲击碰撞界面产生。失效波产生相对弹性波的产生存在一个弛豫时间，弛豫时间在纳秒量级。失效波以3mm/μs左右的速度往前延伸扩展。模拟中同样产生了类似实验中的透明区域和拉伸层裂等现象。

目录

声明

1绪论

1.1脆性材料冲击破坏研究的背景及意义

1.2玻璃材料的结构和力学性质

1.3脆性材料破坏波的研究现状

1.4冲击失效波数值模拟

1.5主要的加载和测试方法

1.6本文的研究内容

2脆性材料冲击碰实验装置研究

2.1引言

2.2实验装置设计和测试技术

2.3实验仪器设备

2.4实验环境布置及调节

2.5实验过程

2.6本章小结

3脆性材料玻璃圆杆冲击破坏实验

3.1引言

3.2玻璃圆杆冲击破坏宏观现象

3.3试件倾斜冲击破坏的实验现象

3.4脆性材料在不同加载条件下的实验

3.5本章小结

4玻璃圆杆中失效波的高速传播行为

4.1引言

4.2失效波传播速度确定

4.3实验结果数据分析

4.4本章小结

5脆性材料冲击破坏数值模拟实验

5.1引言

5.2脆性材料圆杆冲击破坏实验有限元模型的建立

5.3脆性材料冲击破坏过程分析

5.4本章小结

6总结与展望

6.1本文研究结论

6.2未来展望

参考文献

在学研究成果

致谢