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强冲击载荷作用下LY12铝合金的准弹性卸载特性及层裂研究

2020-11-22阅读(220)

强冲击载荷作用下LY12铝合金的准弹性卸载特性及层裂研究

论文摘要

强冲击载荷作用下材料的强度和动态卸载特性研究对于全面认识和更深入理解冲击波作用下材料的动态响应特性和研究层裂破坏规律具有重要科学意义。本文应用加窗VISAR技术，以高压声速测量为基础，通过实验研究、理论分析、计算机模拟等综合手段，对强冲击压缩下LY12铝的剪切模量、准弹性卸载响应特性进行了较系统的研究，探讨建立高压本构关系的方法；通过追赶稀疏波对矩形冲击波衰减形成的三角形波对LY12铝的层裂行为进行实验和数值模拟研究，发展了基于空穴聚集机理的层裂模型。本文主要内容如下： 1、发展了利用加窗VISAR技术测量高压声速的实验方法。 本文全面分析了应用加窗VISAR技术测量金属样品高压声速的基本原理，以及加窗VISAR测量声速的优点及需要解决的一些关键技术问题，给出了进行高压声速及卸载路径测量的实验装置设计原则。在此基础上，设计了对称碰撞及非对称碰撞测量LY12铝高压声速的实验装置，获得了高质量的VISAR实验信号和声速数据，并建立了从声速测量实验数据和粒子速度剖面数据计算卸载路径的方法，编制了相关计算程序。 2、测量了LY12铝在20～131GPa冲击压力范围内的纵波声速及体波声速，并揭示了纵波声速在冲击熔化压力区的特征，获得了包含强度影响的卸载路径： 从实验测量获得了LY12铝在20.3～131GPa冲击压力下的卸载波速度随粒子速度的变化。其中纵波声速与McQueen等用光分析法得到的2024铝的纵波声速数据有较好的一致性，并与文献报道的纵波声速与冲击压力的拟合关系非常符合；表明本文发展和建立的声速测量技术是可行的，获得的声速数据是可靠的。另一方面，LY12铝在接近冲击熔化压力时冲（125Gpa）纵波声速继续随压力增大，在发生冲击熔化后的固液混合相区（125Gpa～150GPa）纵波声速也没有突然衰减为体波声速，而是随压力的增加逐渐下降到体波声速。显示了金属材料在冲击熔化压力附近强度特性的异常性质。 实验测量的卸载波速度中的塑性声速与粒子速度呈现出良好的线性关系。通过将塑性声速按粒子速度线性外推到初始冲击压缩状态，得到了在20、32、56和70GPa四个冲击压力点的体波声速。体波声速数据与Gruneisen状态方程计算的流体声速（ργ=ρ0γ0）数据符合很好。表明本文发展的声速测量技术能够同时得到在初始Hugoniot状态的纵波和体波声速，克服了传统的光分析法的固有缺陷缺点，为研究冲击压缩状态下的剪切模量提供了基础。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 选题的背景
  • 1.2 一维应变冲击下固体材料的动态响应描述
  • 1.2.1 一维应变状态下固体材料的应力－应变关系
  • 1.2.2 一维应变冲击压缩下固体材料的声速
  • 1.3 动态卸载特性的研究进展
  • 1.3.1 实验研究方法
  • 1.3.2 本构模型
  • 1.4 层裂的研究进展
  • 1.5 本文研究的内容
  • 参考文献
  • 第二章 加窗VISAR技术测量金属高压声速和卸载路径的基本原理
  • 2.1 早期的高压声速测量－基本原理
  • 2.2 应用加窗VISAR技术测量高压声速的基本原理
  • 2.2.1 加窗VISAR技术简介
  • 2.2.2 加窗VISAR测量高压声速的基本原理
  • 2.3 追赶稀疏波在样品－窗口界面的反射
  • 2.4 卸载路径的计算方法
  • 2.5 加窗VISAR技术的一些关键问题
  • 本章小结
  • 参考文献
  • 第三章 LY12铝合金的高压声速及卸载路径－实验结果与分析
  • 3.1 冲击实验
  • 3.1.1 实验设计原则
  • 3.1.2 实验装置设计
  • 3.2 实验结果
  • 3.2.1 对称碰撞实验结果
  • 3.2.3 非对称碰撞实验结果
  • 3.3 高压声速结果
  • 3.3.1 材料的基本参数
  • 3.3.2 LY12铝合金高压声速结果
  • 3.4 LY12铝合金的卸载路径确定
  • 3.5 LiF窗口的影响
  • 3.6 逆向碰撞法测量HR2钢和钽的高压声速结果
  • 3.6.1 HR2钢高压声速结果
  • 3.6.2 钽的高压声速结果
  • 本章小结
  • 参考文献
  • 第四章 冲击压缩下LY12铝的准弹性卸载特性
  • 4.1 准弹性卸载特性
  • 4.1.1 准弹性（quasi-elastic）卸载现象及相关解释
  • 4.1.2 准弹性（quasi-elastic）卸载现象的可能物理机制
  • 4.1.3 有效剪切模量
  • 4.2 一维应变冲击作用下有效剪切模量的计算方法
  • 4.3 LY12铝的有效剪切模量
  • H'>4.3.1 初始冲击压力下的剪切模量GH
  • H与剪切模量理论模型的比较'>4.3.2 实验测量的GH与剪切模量理论模型的比较
  • 4.3.3 沿着准弹性卸载过程的有效剪切模量
  • 4.4 应用有效剪切模量对LY12铝卸载剖面的数值模拟
  • 本章小结
  • 参考文献
  • 第五章 基于空穴聚集的层裂模型研究
  • 5.1 层裂现象描述及本文研究问题
  • 5.1.1 平板碰撞条件下的层裂现象
  • 5.1.2 本文研究问题
  • 5.2 重建 Cochran-Baner（C－B）层裂模型
  • 5.2.1 新的C－B层裂模型
  • 5.2.2 新的C－B层裂模型对于一维层裂试验的应用
  • 5.3 基于空穴聚集的层裂模型
  • 5.3.1 空穴聚集的相关理论描述
  • 5.3.2 基于空穴聚集的层裂模型对于一维层裂试验的应用
  • 本章小结
  • 参考文献
  • 第六章 三角形脉冲波作用下LY12铝的层裂
  • 6.1 不同形状入射脉冲波对层裂的影响
  • 6.2 三角形波致层裂的平板冲击实验设计
  • 6.2.1 冲击波衰减基本原理
  • 6.2.2 实验装置设计
  • 6.3 三角形波致层裂的平板冲击实验结果
  • 6.3.1 VISAR测得的自由面粒子速度剖面
  • 6.3.2 层裂样品的宏微观分析
  • 6.4 数值模拟－基于空穴聚集的层裂模型
  • 6.4.1 采用冲击粘性及最简本构的相应数值研究
  • 6.4.2 有关讨论
  • 本章小结
  • 参考文献
  • 第七章 全文总结
  • 致谢
  • 附录攻博期间发表（已录用）的论文

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