爆炸焊接波状界面分形表征与重构研究

Metals of explosive welding have been widely used in industries. Its quality is determined by morphology of welding interface, but academically, the analysis level of interface morphology is still in qualitative, methods of quantitative analysis have not been established. So the research of interface morphology quantitative characterization and reconstruction is great significance both theoretical and practical. In this subject, to break the bound of Euclidean ideological, the morphology of welding interface will be researched by fractal geometry. In the course of study, graphics data such as wave interface morphology, thickness fluctuation of explosive and detonation product pressure pulsation will be obtained frist, and research on them by the fractal analysis method to achieve quantitative characterization for them. Second, base on the liquid interface stability theory, the jet motion differential equation will be established and solved. Then analyze solutions of equation, reveal the dependent relationship between equation solutions and initial conditions. Lastly, because of understanding the fractal characteristic of interface and its dependence on initial conditions, the welding wavy interface can be reconstructed by two-dimensional multi-fractal.By computer iteration, can gain a geometry object which surface is unsmooth, and make it consistent with morphology of welding interface, achieve the computer reconstruction of wavy interface which is corresponding to initial conditions. This method makes it is possible that we can predict the morphology of welding interface, so it can guide explosive welding parameters designing.

爆炸焊接金属复合板已在工业上得到广泛应用，其复合质量由焊接界面波状形貌决定，然而学术上对界面波形貌分析仍处于定性水平，尚未建立定量分析方法，对该问题的研究具有重要的科学意义和工程应用价值。本课题打破欧几里德几何思想束缚，从分形几何角度研究波状界面形貌。研究过程中首先获得研究对象的图像数据，并利用分维分析方法对波状界面形貌、炸药铺设厚度及爆轰产物压力脉动等具有的分形特征进行研究，实现图像数据的定量表征；其次，从流体界面稳定性理论出发，建立射流运动动力学方程并求解，通过对方程解的分析揭示界面形貌对初始条件的依赖关系。最后，基于已表征的波状界面形貌对初始条件依赖关系，利用二维多重分形界面重构，通过迭代生成表面凹凸不平的几何对象，使其与界面形貌图像吻合，实现对应初始条件下焊接界面形貌的计算机界面重构，该方法反过来可指导爆炸焊接参数工程定量设计。

早期的观点及近期发展出的结论逐步将爆炸焊接界面波存在的不规则性呈现出来，并进行了定性分析，但尚未实现量化分析。据此，本项目以爆炸焊接界面为研究对象，基于分形理论建立了焊接界面形貌定量分析方法。主要研究内容及对应结果：. (1) 基于爆炸焊接波状界面形成的失稳机理与流体—弹塑性模型，在飞板反向射流与空气之间存在着R-T、K-H，甚至R-M不稳定性条件，因而提出失稳是发生在金属流体薄膜与空气之间。由界面波幅与波长之比判定线性理论成立，从而建立双层流体失稳线性控制方程，获得失稳发展特征指数表达式。结果表明在金属流体弹—粘性与失稳机制竞争作用下，特定波长范围的扰动能够被优先发展，其他波长的扰动被抑制或未能发展，从而使得波状界面在沿爆轰方向较为一致，实验结果也验证了这一结论的正确性。. (2) 进一步利用分形理论研究爆炸焊接界面形貌特征。运用三维超景深显微镜获得界面形貌图像，通过Matlab图像分析技术对界面形貌进行二值化处理，基于分形理论获得图像分维值以及多重分维谱，从而建立界面形貌定量表征方法。. (3) 基于(2)所建立的方法对(1)所阐述的爆炸焊接界面波的形成、发展与最终形貌开展分维表征，从而实现对界面形貌的定量分析。. (4)利用(3)所形成的结论，对爆炸焊接界面形貌差异开展定量化评价。运用三维超景深显微镜获得爆炸焊接界面形貌图像，结合冲量理论，定义中心区域与边侧区域分界线；最后基于分形理论实现焊接界面形貌差异定量描述。. (5)利用(4)所形成的结论，结合分维是熵的度量之物理意义建立界面结构熵，导出波状焊接界面微观结合面积计算式；结合内聚力模型，阐述界面结构对复合性能影响的能量关系式，实现界面结构与断裂性能的定量分析。. (6)基于(5)的结论，尝试建立界面剪切强度与断口轮廓分维值及其多重分形谱关系。结果表明焊接界面剪切强度在数值上与分维值及多重分形谱呈正相关。. 本项目成功建立了爆炸焊接波状界面形貌定量表征方法，导出了界面分维值与对应结合能关系式，从而实现焊接界面形貌结构及对应失效行为量化分析，为焊接界面性能定量评价指供理论指导。按照预期计划完成了项目研究。