两种动态加载条件对7075铝合金中剪切带自组织与损伤的影响

论文摘要

通过两种不同应变率条件下厚壁圆筒外爆实验,获取了7075铝合金中的多条剪切带。在外部爆轰加载作用下,铝合金圆管表现为绝热剪切破坏;绝热剪切带（ASB）首先在圆管内壁生成,前端沿着与径向成45度或135度的最大剪切力方向向外扩展,整体形成逆时针螺旋状分布花样;在横截面上观察到了一些特殊的剪切带分布现象,比如屏蔽、分叉,汇集、湮没等。ASB中微裂纹优先在应变大、应力集中或缺陷处形核,长大变粗并逐渐旋转成与ASB一致的方向,聚合成沿ASB方向的宏观裂纹并最终导致材料的破坏。量化分析了试样的各个应变截面中ASBs的数量及空间分布特征,结果表明:ASBs的间距、轨迹和长度具有自组织特征,两种应变率下剪切带间距在早期阶段大致相同,但演变历程却完全不同。通过对实验结果与现有间距模型的比较结果显示:基于摄动分析的一维模型预测值与实验结果差距较大,只适合在ASBs均匀形核的前提下进行预测;GK模型预测值能较好的预测成熟剪切带之间的间距值;二维的XM模型预测值与实验结果符合较好,能定性的解释实验现象,但不能在实验前预测ASBs的间距值。应用LS-DYNA有限元软件首次成功的模拟了厚壁管中ASBs的自组织行为,分析了ASBs在均匀形核模式下的形核、发展及相互作用的过程,并利用一维间距模型与模拟结果进行比对,两者较好的符合证明了模型的有效性。通过引入不均匀质点的方法,建立了ASBs在试样中不均匀形核模式,在质点处优先形核的剪切带会抑制周围剪切带的形核和发展。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 绝热剪切带研究现状
• 1.1.1 绝热剪切带简介
• 1.1.2 绝热剪切带研究现状
• 1.2 自组织行为的概述
• 1.3 ASBs的自组织行为研究进展
• 1.3.1 主要的剪切带间距模型简介
• 1.3.2 多条剪切带的轨迹分布
• 1.4 翦切带的损伤行为的研究
• 1.5 本论文的研究内容和意义
• 第二章 材料及实验方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 炸药爆轰压缩厚壁管实验
• 2.3 剪切带自组织观测
• 第三章 外爆加载下绝热剪切带组态及损伤分析
• 3.1 厚壁圆筒中的应力状态分析
• 3.2 剪切带形态特征的观察与分析
• 3.2.1 晶界对剪切带扩展路径的影响
• 3.2.2 剪切带的分叉
• 3.2.3 剪切带的交汇
• 3.2.4 剪切带的湮没
• 3.2.5 裂纹在绝热剪切带中的扩展
• 3.3 本章小结
• 第四章 剪切带的自组织行为实验观测与分析
• 4.1 试样内壁剪切应变率的估算
• 4.2 实验结果分析
• 4.2.1 实验现象分析
• 4.2.2 ASBs的统计分析
• 4.3 7075铝合金中剪切带间距与模型的比对和讨论
• 4.3.1 一维间距模型
• 4.3.1.1 一维间距模型参数的获取及比对结果分析
• 4.3.2 二维模型
• 4.4 本章小结
• 第五章 不同形核模式下剪切带自组织行为的数值模拟和分析
• 5.1 有限元软件LS-DYNA介绍
• 5.1.1 LS-DYNA计算程序的发展与功能
• 5.1.2 LS-DYNA程序算法
• 5.1.2.1 显式积分算法
• 5.1.2.2 接触—碰撞界面算法
• 5.2 有限元模型的建立
• 5.2.1 单元选取
• 5.2.2 几何建模与网格划分
• 5.2.3 应力波与人工体积粘性
• 5.2.4 材料模型
• 5.2.4.1 7075铝合金和紫铜的本构模型
• 5.2.4.2 其他材料模型描述
• 5.3 数值模拟结果
• 5.3.1 剪切带在均匀形核模式下的模拟
• 5.3.1.1 剪切带发展的早期阶段
• 5.3.1.2 剪切带的扩展速率
• 5.3.1.3 剪切带发展的后期阶段
• 5.3.2 剪切带不均匀形核模式的模拟
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录