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含有预置缺陷的膨胀环动态断裂行为研究

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摘要

第一章 绪论

引言

§1.1 断裂研究的意义

§1.2 断裂研究的概况

§1.2.1 历史回顾以及现状

§1.2.2 常用处理手段

§1.2.3 膨胀环研究材料断裂、碎裂特征

§1.3 难点及解决方案

§1.3.1 裂纹萌生位置

§1.3.2 测试手段

§1.3.3 数值模拟

§1.4 本项工作研究的内容

§1.5 本论文结构

参考文献

第二章 实验装置描述

引言

§2.1 膨胀环原理介绍

§2.2 膨胀环实验技术简介

§2.2.1 爆炸驱动膨胀环

§2.2.2 电磁驱动膨胀环

§2.2.3 实验装置的选择

§2.3 测试系统的选择

§2.4 总结

参考文献

第三章 实验现象与初步分析

引言

§3.1 实验参数选择

§3.2 预置缺陷对起裂位置的影响

§3.3 预置圆孔膨胀环在动载下的动态断裂特征

§3.3.1 高装药下裂纹的失稳扩展

§3.3.2 低装药下裂纹的止裂

§3.4 预置缺口缺陷的膨胀环在动载下的断裂特征

§3.5 总结讨论

参考文献

第四章:裂纹的动态扩展

引言

§4.1 裂纹扩展速度

§4.1.1 裂纹长度的修正

§4.1.2 观测速度与真实速度的初步探讨

§4.1.3 实验数据处理

§4.1.4 小结与讨论

§4.2 应力强度因子(SIF)

§4.2.1 应力强度因子计算简介

§4.2.2 应力强度因子计算的常用模型

§4.2.3 动态应力强度因子

§4.2.4 预置圆孔动态应力强度因子的估计

§4.2.5 预置缺口缺陷动态应力强度因子的估计

§4.3 总结讨论

参考文献

第五章:含有预置圆孔的金属膨胀环动态断裂的数值模拟

引言

§5.1 模型建立

§5.1.1 建模思路

§5.2.2 第一步建模

§5.2.3 第二步建模

§5.2 材料模型

§5.2.1 PETN炸药

§5.2.2 PMMA装药套筒

§5.2.3 驱动器与膨胀环

§5.3 裂纹的失稳扩展模拟

§5.3.1 裂纹的失稳扩展第一步

§5.3.2 裂纹的失稳扩展第二步

§5.3.3 结论及讨论

§5.4 裂纹的止裂模拟

§5.4.1 裂纹的止裂模拟第一步

§5.4.2 裂纹的止裂模拟第二步

§5.4.3 裂尖距离与裂纹扩展速度

§5.4.4 径向速度与径向位移

§5.4.4 结论及讨论

§5.5 讨论

参考文献

第六章:全文总结与展望

§6.1 全文总结

§6.2 主要结论及创新点

§6.3 展望

致谢

附章

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摘要

材料或结构的断裂位置及断裂形式一直是工程界和学术界关注的焦点。由于材料的样本个性,在动载作用下,裂纹的萌生往往会表现出特有的随机性,不会出现在某一个特定的位置。为了观测材料在高应变率加载下局部的断裂特征,本文采用预置缺陷的方法,使裂纹自然萌生于观测的视场范围内。利用爆炸膨胀环加载技术来实现对试样环的准一维加载,采用高速分幅相机观测膨胀环中预置圆孔的变形以及萌生裂纹的扩展。并利用LS-DYNA有限元程序再现整个过程。
  本文的主要工作和结果有:
  (1)系统回顾调研了断裂研究的历史,分析了目前研究的难点、关注点以及研究方法,针对本课题实际,选择爆炸膨胀环作为加载手段,采用分幅相机作为测试手法,以获得膨胀环在高应变率下的局部断裂特征。
  (2)为了清晰获得局部断裂特征,对膨胀环预置缺陷,并在试样前放置放大镜。无氧铜的实验发现,不同尺寸的缺陷会导致完全不同的断裂特征。通过改换材料20号钢,成功拍摄到预置圆孔应力集中最大位置处的裂纹萌生,及后期的扩展、止裂现象。
  (3)针对含预置圆孔的20号钢膨胀环,起爆能量较低时,萌生于圆孔应力集中最大位置的裂纹会在一段时间之后止裂于某一裂纹长度;起爆能量较高时,萌生的裂纹失稳扩展,表现出特有的不稳定性。
  (4)对于边缘预置缺口的实验,除了预置缺陷位置的裂纹萌生扩展之外,其它位置在内壁或者内部萌生缺陷,随着载荷穿透厚度方向,形成穿透裂纹,共同诱导整体的断裂破坏。
  (5)实际测量中由于尺度原因往往会将裂纹断面的细节抹平,针对此,提出将裂纹扩展速度区分为测量速度与真实速度。通过这一理念上的区别,可以很简捷的解释极限裂纹扩展速度对其理论极限速度CR的较大偏离。
  (6)通过对预置圆孔的20号钢膨胀环实验图像处理,得到了可视裂纹尖端的位移及速度随时间的变化。裂纹扩展速度随时间呈现一定的振荡,这体现出其特有的不稳定性。并以此估算裂纹的动态应力强度因子的变化。
  (7)通过数值模拟探讨预置有圆孔的膨胀环在动态载荷作用下,圆孔的变形、裂纹的萌生以及扩展止裂的全过程。装药的多少决定了膨胀环内壁的载荷历史,由此决定膨胀环是否完全断裂。选择合适的参数,再现了膨胀环中圆孔诱导裂纹的萌生、扩展以及止裂现象。发现裂纹萌生于圆环的内壁,随时间穿透厚度方向,最终形成轴向裂纹。

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