高应变率加载下金属环与柱壳膨胀变形失稳与断裂研究

论文摘要

本文利用爆炸膨胀环实验平台以及电磁膨胀环实验平台,采用激光干涉测速技术（Doppler pins system,DPS）、高速摄影（High speed camera）、样品微观表征（Scanning Electron Microscope）等技术,开展了7075A1环、无氧铜（TU1）环及柱壳膨胀断裂实验研究。为了准确描述金属环、金属柱壳膨胀断裂过程所经历的均匀膨胀阶段,失稳阶段以及断裂阶段的动态力学行为,依次研究了初始加载过程对材料塑形变形行为的影响,应变率相关的失稳现象以及后期的断裂模式转变及破碎特征。主要工作及结论如下:1.高应变率加载下金属环与柱壳的塑性变形行为研究a)发展了一种考虑冲击阶段变形不均匀性的新方法,可以更准确的获得材料的应力应变关系;b)提出了一种获得恒定应变率本构关系的方法,获得了20#钢材料在应变率3.0 ×103 S-1-5.5 × 103 s-1之间的恒定应变率本构,为动态拉伸本构关系的推广应用探索了一种新思路。2.膨胀环高应变率塑性失稳特征研究a)研究了材料应变率相关本构以及加载历史对膨胀环临界失稳应变的影响规律;b)发展了一种获得不同加载应变率下临界失稳应变的方法,研究表明随着加载应变率的增加,7075A1圆环的临界失稳应变率呈现增加趋势,当临界失稳应变率大于1000 s-1之后,失稳应变趋于恒定:c)采用频率调制的DPS诊断技术,准确获得了膨胀环膨胀断裂后期的速度回弹,解释了两类速度振荡现象。3.高应变率加载下金属环与柱壳的断裂行为研究a)讨论了材料与结构的失效、断裂、碎裂概念的内涵,概念上区分了材料的断裂与结构的断裂。在此基础上对环、柱壳中的断裂应变进行了合理的分解,使之能够更为准确地描述不同阶段的膨胀断裂特征变化;b)理论上研究了一维环的非连续断裂现象,发展了利用平均断裂应变、局域断裂应变共同描述一维环断裂现象的方法,研究发现平均断裂应变是均匀变形阶段的连续变化量与失稳之后依赖于破片数N的非连续量之间的叠加,而局域断裂应变只与加载应变率、应力历史相关,与破片数无直接关联;c)研究发现TU1环、柱壳的平均断裂应变随着应变率的增加而增加,且在应变率约为104 s-1附近会出现断裂模式转变,断面收缩比从100量级变化至102,发生数量级的跳跃;低于此应变率,断裂模式以扩散为主,高于此应变率,断裂模式以完全为主;d)为了描述材料在高应变率下的动态断裂行为,除了以断面张开时的环向平均应变作为断裂应变之外,还需要引入描述颈缩程度的断面收缩比（局域断裂应变）,这样才能更为完整的展现断裂的特征。

论文目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 断裂现象的层级划分

1.2 金属环、柱壳膨胀断裂研究现状及发展分析

1.2.1 金属壳体膨胀断裂

1.2.2 金属环膨胀断裂

1.3 存在的问题

1.4 论文结构

第2章高应变率加载下金属环与柱壳的塑性变形

2.1 材料与结构的动力学响应

2.1.1 描述材料与结构动力学响应的力学体系

2.1.2 本构方程与应力应变关系的区别

2.2 本构模型概述

2.2.1 Johnson-Cook模型

2.2.2 KHL模型

2.2.3 幂指数型模型

2.2.4 ZA模型

2.2.5 讨论

2.3 初始加载过程对膨胀环高应变率拉伸本构的影响

2.3.1 简介

2.3.2 爆炸膨胀环实验平台

2.3.3 电磁膨胀环实验平台

2.3.4 环形样品膨胀断裂的阶段

2.3.5 电磁膨胀环与爆炸膨胀环受力历史差异

2.3.6 电磁加载与爆炸加载对膨胀环应力应变关系的影响

2.3.7 爆炸膨胀环不同加载路径对变形状态的影响

2.4 恒定应变率测试方法

2.4.1 引言

2.4.2 膨胀环、柱壳实验中非恒定应变率的起源

2.4.3 20#钢爆炸膨胀柱壳实验

2.4.4 7075Al爆炸膨胀环

2.4.5 环、柱壳中恒定应变率本构获取方法小结

2.5 唯象本构关系的应用范围讨论

2.6 小结

第3章一维膨胀环高应变率塑性失稳行为

3.1 失稳现象简介

3.2 一维环中的失稳判据

3.3 一维环中塑性失稳的路径相关性

3.4 不同应变率加载下环中的临界失稳应变

3.4.1 电磁膨胀环中的临界失稳应变

3.4.2 速度振荡原因初步分析

3.5 小结

第4章高应变率加载下金属环与柱壳的断裂行为

4.1 材料与结构的失效、断裂、碎裂

4.1.1 失效现象

4.1.2 断裂现象

4.1.3 碎裂现象

4.1.4 损伤、断裂、碎裂之间的关联与区别

4.2 断裂应变的分解

4.2.1 环、柱壳结构中常用的几类应变

4.2.2 断裂应变分解

4.3 一维环非连续断裂现象研究

4.3.1 一维环假定

4.3.2 Mott卸载波传播对断裂的影响

4.3.3 一维环中断裂应变的非连续性特征

4.3.4 讨论

4.4 爆炸与电磁加载下TU1环、柱壳的断裂模式转变

4.4.1 引言

4.4.2 断裂程度的判断标准

4.4.3 实验结果及分析

4.4.4 断裂应变对应变率的依赖关系

4.5 讨论

4.5.1 唯象断裂判据的有效性及其局限性

4.5.2 断裂模式耦合与竞争对断裂应变判读的影响

4.5.3 应变局域化

4.5.4 金属环、柱壳断裂应变判断步骤

4.6 小结

第5章全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 创新点

5.3 展望

致谢

附录A-准静态加载下的动态断裂与动态加载下的动态断裂讨论

附录B-唯象本构模型的局限

附录C

参考文献

文章来源

类型: 博士论文

作者: 郭昭亮

导师: 刘仓理

关键词: 断裂力学,爆炸膨胀环,电磁膨胀环,高应变率本构关系,临界失稳应变,断裂应变,断裂模式转变

来源: 中国工程物理研究院

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,金属学及金属工艺

单位: 中国工程物理研究院

分类号: O346.1;TG111.91

总页数: 130

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高应变率加载下金属环与柱壳膨胀变形失稳与断裂研究

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