韧性金属圆环的动态膨胀和碎裂过程的数值模拟

论文摘要

膨胀环实验是研究材料在一维冲击拉伸载荷作用下的力学特性的有效方法,对于材料在冲击拉伸载荷下的碎裂现象的研究在理论研究和工程应用上都有重要的意义。本文通过韧性金属圆环的膨胀碎裂的有限元数值模拟实验,分析韧性金属材料在一维拉伸应力作用下的力学性能、碎裂特性和碎片分布规律,进一步通过膨胀球壳模型初步探索韧性金属材料在二维等轴拉伸载荷作用下的力学性能和碎裂特性。本文通过ABAQUS软件建立韧性金属膨胀环的有限元模型,采用包含内聚力失稳断裂准则和温度软化效应的Johnson-Cook型损伤断裂模型描述材料的断裂和分离过程,并通过拟合某国产无氧铜本构曲线获得其对应参数,采用断裂能量判据来判断单元是否失效,采用结合单元消去技术的ABAQUS/Explicit计算程序进行数值分析,并通过网格依赖测试确定有限元离散模型的网格划分技术、单元的种类、形状、尺寸。为获得膨胀环碎片的统计规律,通过网格划分点的不同产生具有不同碎裂特征的相同圆环。在特定膨胀速度下对多个圆环进行碎裂过程的数值实验,获得多个碎片的样本集合。通过不同初始速度下圆环膨胀碎裂的数值模拟实验,以分析应变率对膨胀环冲击拉伸力学性能和碎裂特性的影响。为研究韧性金属二维均匀拉伸力学性能和碎裂特性,通过ABAQUS软件建立韧性金属膨胀球壳的有限元模型,采用与膨胀环相同的本构模型及材料参数、相同的有限元建模和分析技术。并通过不同初始速度下圆球壳膨胀碎裂的数值模拟实验,以分析应变率对膨胀球壳冲击拉伸力学性能、碎裂特性和碎片数的影响。通过膨胀环和膨胀球壳数值模拟实验,本文得到的主要结论有:（1）通过分析膨胀环和膨胀球壳向外沿径向膨胀、碎裂的全过程,可以发现膨胀环和膨胀球壳的整个膨胀过程可分为:启动,均匀弹性变形,均匀塑性膨胀,非均匀塑性（颈缩）膨胀,断裂起始,完全碎裂,自由飞行等各个阶段。（2）通过分析膨胀环和膨胀球壳的碎片断裂特征,发现韧性金属材料在一维和二维均匀拉伸冲击载荷作用下,都表现出多重损伤和多重碎裂的现象,损伤和断裂（碎裂）的发生都有着明显的先后顺序,即时序性。对于膨胀环是多重颈缩,对于膨胀球壳是多重微裂纹产生,同时不同区域的非均匀塑性变形特征明显,伴随着温度分布的不均匀。（3）应变率对于膨胀环和膨胀球壳的力学特性和断裂特性有着明显的影响,断裂时刻膨胀速度,断口温升和断裂碎片数伴随应变率的升高而增大,断口都呈现非光滑状态。但膨胀环和膨胀球壳在不同应变率下又表现出不同的力学特性和碎裂特性,膨胀环的断裂时刻半径,断裂应变随着初始膨胀速度的增大而增长;而膨胀球壳的断裂时刻半径并不伴随着初始膨胀速度的增大而明显增长,只是保持在某个值附近波动。（4）应用Grady-Kipp韧性材料碎片尺寸理论公式计算的膨胀环断裂碎片尺寸倾向于低于实际尺寸,对应的碎片个数高于实际（数值模拟）结果。而采用断裂时刻的应变率、半径代入公式得到的计算结果比初始时刻应变率、半径更符合数值模拟结果,理论碎片预估值比数值模拟结果多3～6片,但随初期膨胀速度的增长,理论值与数值模拟结果变化的趋势基本同步。而采用Grady-Kipp公式计算得到的碎片平均尺寸的倾向于低于实际尺寸的原因是由于圆环一维非均匀塑性流动的随机性、塑性卸载波传播特性、断口选择的非任意性和断口产生的顺序性。（5）通过对碎片尺寸的统计分析,发现Weibull分布模型可以较好地描述膨胀环碎片尺寸分布,碎片平均尺寸随着应变率的增加逐渐减小,碎片的尺寸分布宽度也随着应变率的增加逐渐减小。不同应变率下的圆环碎片的尺寸的归一化尺寸的累积分布基本是沿着Rayleigh分布函数发展的,碎片的最小归一化尺寸为0.37,最大归一化尺寸为2.1。但是碎片的分布出现了明显的阶梯状,随着应变率的增高,归一化碎片尺寸累积分布曲线变得相对光滑。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究的背景
• 1.2 膨胀环研究意义
• 1.3 材料一维动态碎裂理论研究现状
• 1.3.1 脆性材料
• 1.3.2 韧性材料
• 1.3.3 碎裂的几何统计理论
• 1.4 膨胀环实验研究现状
• 1.4.1 电磁膨胀环实验技术
• 1.4.2 爆炸膨胀环实验技术
• 1.4.3 Hopkinson 压杆膨胀环技术
• 1.5 金属膨胀环数值模拟研究现状
• 1.6 本文主要的研究工作
• 2 韧性金属膨胀环的有限元模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 ABAQUS 有限元软件基础
• 2.3 膨胀环模型
• 2.3.1 膨胀环模型背景
• 2.3.2 膨胀环力学模型
• 2.3.3 膨胀环有限元离散模型
• 2.4 材料模型及参数
• 2.5 膨胀环离散化模型及网格依赖性（mesh dependency）测试
• 2.5.1 单元及网格布置
• 2.5.2 网格依赖性（mesh dependency）测试
• 2.6 膨胀环有限元分析其它关键技术
• 2.6.1 分析模块
• 2.6.2 分析步选择
• 2.7 本章小结
• 3 韧性金属圆环膨胀碎裂数值模拟实验
• 3.0 引言
• 3.1 典型的圆环膨胀碎裂全过程及应力应变分析
• 3.1.1 典型圆环膨胀碎裂全过程
• 3.1.2 应力应变分析
• 3.2 韧性金属膨胀环的变形断裂特征
• 3.2.1 变形特征和断裂时序
• 3.2.2 断口特征
• 3.3 不同应变率下膨胀环的碎裂特性
• 3.4 本章小结
• 4、韧性金属膨胀环断裂碎片平均尺寸
• 4.1 引言
• 4.2 不同初始膨胀速度下膨胀环的碎片个数
• 4.3 碎片尺寸和个数：理论与数值结果比较
• 4.4 Grady-Kipp 韧性碎片尺寸公式的合理性、适用性及部分局限
• 4.5 本章小结
• 5 韧性金属膨胀环断裂碎片尺寸分布规律
• 5.1 引言
• 5.2 碎片尺度分布函数
• 5.3 碎片尺寸归一化分布规律
• 5.4 本章小结
• 6 韧性金属膨胀圆球壳的数值模拟
• 6.1 引言
• 6.2 膨胀球壳有限元模型
• 6.3 典型的膨胀球壳碎裂
• 6.3.1 膨胀半球壳碎裂全过程
• 6.3.2 膨胀球壳的碎裂特性
• 6.4 不同应变率下膨胀球壳的碎裂特性
• 6.5 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 研究工作的主要结论
• 7.2 本文研究工作的创新点
• 7.3 研究工作的展望
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢