延性材料临界冲击拉伸速度初探

作     者：胡金伟 

作者单位：宁波大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈大年

授予年度：2008年

学科分类：08[工学] 080102[工学-固体力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：临界冲击速度 拉伸 实验装置 高导无氧铜 数值模拟 

摘      要：1.对于延性材料理论临界冲击拉伸速度的讨论 文中给出了临界冲击拉伸速度的理论定义。临界冲击拉伸速度归结为塑性波波速趋于零,质点速度达最大值,更高的质点速度不可能传播,杆件在受冲击端附近发生断裂。指出,率相关的Karman-Taylor塑性波传播理论、完全热耦合的高应变率本构关系以及绝热升温方程确定了理论临界冲击拉伸速度。对于高导无氧铜,采用典型的两类高应变率本构关系计算了理论临界冲击拉伸速度,研究结果表明,当拉伸应变率为102 s-1时,与Johnson-Cook本构关系对应的理论临界冲击拉伸速度(约为150 m/s),明显小于与Zerilli-Armstrong本构关系对应的理论临界冲击拉伸速度(约为250 m/s)。 2.延性材料临界冲击拉伸速度的实验研究 然而,理论临界冲击拉伸速度并没有计及拉伸试验中的颈缩断裂,事实上,杆的结构特性与材料的(延性)本构特性必然会引起杆的颈缩,然后才断裂。因此,使冲击拉伸杆断裂发生在受冲击端附近,而杆件其它部分几无变形的冲击拉伸速度实验值必然远小于使塑性波波速趋于零的理论临界冲击拉伸速度。本文基于一级气体炮系统,提出了一种新的临界冲击拉伸速度实验方法,这种实验装置主要由两部分组成,第一部分气体炮系统驱动弹丸,第二部分弹丸击靶牵引多根拉伸杆试件。与现有技术相比,这种装置的优点如下:a).已经知道,不同材料的临界冲击拉伸速度实验值区别较大,从每秒数十米至每秒数百米。采用这种装置,可充分利用气体炮的高速驱动平面飞片的能力,满足实验研究各种材料临界冲击拉伸速度的要求;b).采用电探针技术,可以准确测量试件杆受冲击拉伸端的速度;c).多根杆试件可在同一发实验中进行,便于研究材料与加工诸因素引起的实验结果的分散性。文中对高导无氧铜的临界冲击拉伸速度进行了实验研究,指出此种材料的临界冲击拉伸速度约为40 m/s,远小于高导无氧铜在拉伸应变率为102 s-1时的理论临界冲击拉伸速度(150 m/s或250 m/s)。可见,临界冲击拉伸速度的理论值远远大于实验值。从物理机制而言,理论值与实验值也不一样,这是必须澄清的问题。 3.延性材料临界冲击拉伸速度的数值研究 探讨了一种完全热耦合的、在颈缩区计及塑性约束系数以及空穴增长与聚集效应的一维应力冲击拉伸试验的数值研究方法,并采用了Ragab的断裂判据。研究结果表明,采用Johnson-Cook本构关系得到的数值模拟结果不如采用Zerilli-Armstrong本构关系得到的结果更符合实验。文中同时利用LS-DYNA程序进行了高导无氧铜临界冲击拉伸速度实验的数值模拟,结果显示,没有计及空穴增长与聚集效应的LS-DYNA结果与实验结果相差较大,对于数值模拟临界冲击拉伸速度试验而言,损伤演化是必须计及的。