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爆炸与冲击 2014年第5期34卷 594-600页

作者：迟润强 Ahmad Serjouei 范峰 Idapalapati Sridhar 哈尔滨工业大学土木工程学院黑龙江哈尔滨150001 School of Mechanical & Aerospace Engineering Nanyang Technological Universitysingapore639798

利用Autodyn软件开展数值模拟工作,对陶瓷/金属复合装甲的防护性能与弹靶尺寸的关系进行研究。首先,建立二维轴对称sph-lagrange模型,并利用实验数据验证模型有效性;在此基础上对不同几何参数的弹靶撞击进行数值模拟,分析靶板厚度、靶... 详细信息

利用Autodyn软件开展数值模拟工作,对陶瓷/金属复合装甲的防护性能与弹靶尺寸的关系进行研究。首先,建立二维轴对称sph-lagrange模型,并利用实验数据验证模型有效性;在此基础上对不同几何参数的弹靶撞击进行数值模拟,分析靶板厚度、靶板平面尺寸、子弹长度等对氧化铝陶瓷/铝合金复合装甲弹道极限速度的影响规律。然后,通过量纲分析,提出装甲弹道极限速度与弹靶几何参数的量纲一关系式,并在数值模拟结果的基础上建立一个装甲弹道极限速度的经验公式。

关键词：爆炸力学 sph-lagrange model 弹靶尺寸陶瓷/金属复合装甲弹道极限速度钨合金弹

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Ti6Al4V与异种金属的激光冲击焊接实验及数值模拟研究

Ti6Al4V与异种金属的激光冲击焊接实验及数值模拟研究

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作者：李哲文江苏大学

学位级别：硕士

激光冲击焊接(Laser impact welding,LIW)是作用在微尺度上的固态焊接工艺,由单脉冲激光产生的等离子体压力驱动金属箔碰撞实现焊接。针对现有激光冲击焊接连接的材料组合较少,且现有的数值模拟方法在加载方式和模拟效果上存在不足的情... 详细信息

激光冲击焊接(Laser impact welding,LIW)是作用在微尺度上的固态焊接工艺,由单脉冲激光产生的等离子体压力驱动金属箔碰撞实现焊接。针对现有激光冲击焊接连接的材料组合较少,且现有的数值模拟方法在加载方式和模拟效果上存在不足的情况,本文提出了sph-lagrange耦合新方法,结合实验对Ti6Al4V/Cu和Ti6Al4V/SS304的焊接过程、工艺参数、界面形貌、微观结构、界面波形机理和结合强度等方面展开了系统研究。本文的研究内容和成果如下:首先,对激光冲击焊接Ti6Al4V与Cu进行实验研究。探究了工艺参数对Ti6Al4V/Cu焊接可行性的影响,通过三维超景深光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)和万能试验机观测了焊接试样的表面与横截面形貌、微观结构和结合质量。研究表明:改变激光能量、光斑直径和飞行距离会改变飞行箔冲击速度和冲击角度,当光斑直径为1.5mm,飞行距离为0.2mm时,焊接成功率最高;试样中的有效焊接区域呈环形分布,焊接面积随激光能量的增加而增加;中心回弹区域内的射流粒子大部分来源于飞行箔Ti6Al4V,少部分来源于目标箔Cu,结合界面处存在1-3μm厚的元素扩散层;界面波形的尺寸沿焊接方向扩大,并随激光能量的增加而扩大;增加激光能量可以提高焊接试样的结合强度,有两种不同的失效形式在最大拉伸力测试中出现。其次,本文提出了一种新的适用于激光冲击焊接加载条件的数值模拟方法——光滑粒子流体动力学耦合拉格朗日(Smooth Particle Hydrodynamics and lagrange Coupling Method,sph-lagrange),然后将其与激光冲击焊接数值模拟中广泛使用的光滑粒子动力学((Smooth Particle Hydrodynamics,sph)和欧拉(Eulerian)方法进行对比。研究发现:sph无法直接施加等离子体产生的压力负载,只能通过预设飞行箔的形状和初始速度来实现等离子体压力载荷的加载效果;而Eulerian将等离子体压力负载通过计算转化为欧拉网格节点力,解决了sph中的加载问题,但是Eulerian由规则的材料混合模式而产生的波状界面和射流现象却不如sph清晰,也不能很好还原试样中心回弹和开裂等现象;sph-lagrange实现了激光等离子体压力加载,可以很好地避免前两种方法的问题,其模拟结果与实验结果较为一致,能较为方便地追踪焊接界面的高温节点在整个焊接过程中的温度变化趋势,更进一步地指出了以往研究者在界面波形形成过程及机理方面研究的不足,采用sph-lagrange方法结合实验对Ti6Al4V/Cu这一组材料界面波形的形成过程做出了说明,并将Jet Indentation机理根据实验及数值模拟结果进行了更好诠释。最后,对激光冲击焊接Ti6Al4V/SS304进行实验与数值模拟研究。探究了工艺参数对Ti6Al4V/SS304焊接可行性的影响,观测了焊接试样的表面形貌、三维立体形貌、横截面形貌、微观结构及结合质量。研究表明:Ti6Al4V/SS304这一材料组合同样是在光斑直径为1.5mm,飞行距离为0.2mm时,焊接效果最好;在相同的实验参数下,Ti6Al4V/SS304的焊接影响区域小于Ti6Al4V/Cu;Ti6Al4V/SS304的焊接界面呈环形分布,焊接面积随激光能量的增加而增加;EDS面扫描的结果表明射流粒子同时来自飞行箔Ti6Al4V和目标箔SS304,EDS线扫描的结果表明结合界面处存在1-2μm的元素扩散层;界面波形的变化趋势(小-大-平缓)在SEM中被成功捕获;在最大拉伸力测试中,增加脉冲激光能量可以提高结合强度,有两种不同的失效形式在拉伸剪切试验中出现;借助sphlagrange揭示Ti6Al4V/SS304这一组材料的焊接过程以及焊接界面在焊接过程中的剪切应力、射流速度、温度和等效塑性应变等参数的变化规律,追踪了高温节点在焊接过程中的温度变化趋势。本文提出的数值模拟方法——sph-lagrange,经过对比体现了其在LIW数值模拟研究中的优越性,并采用实验结果验证该方法的可靠性。两组材料的成功焊接丰富了两层金属箔板激光冲击焊接的材料种类。本文的研究拓展了激光冲击焊接的材料组合,并提高了LIW中数值模拟研究的精度与能力。

关键词：异种材料焊接激光冲击焊接界面微观结构数值模拟 sph-lagrange 界面波形

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