爆炸载荷作用下金属平板的断裂和破片成形机理研究

The fracture mechanism of metal plates under explosive loading have a great significance for the study of the dynamic failure behavior of the material. By focusing on the dynamic damage, fracture and fragmentation of metal plates, the experiments as well as the analytical analysis and numerical simulations, are carried out to study the fracture and fragmentation mechanism of metal plates under explosive loading: (1)Explosion experiments are carried out to obtain the influence of explosive loading strength, length scales, material properties and notches on the fracture and fragmentation processes. (2)Micro-mechanical research is conducted to analyse the relations between the fracture mode and stress state of metal plates; Based on the view of damage evolution, a continuum model describing the dynamic fracture process is build to obtain a fracture criterion. (3)The elastic-plastic conservation equations including a chemical reaction model are built; A high-order coupled Eulerian-Lagrangian particle method is proposed to model the dynamic fracture process of metal plates under explosive loading; A parallel hydrocode is then developed. (4)Numerical studies are conducted to reproduce the fracture modes to show more details of the physics; Based on the experimental results, quantitative models to calculate the fragment distribution and flight process are also obtained. The results of the project can provide a theretical basis for the new weapon and protection design.

爆炸载荷作用下金属结构的断裂机理对于研究材料的动态失效行为具有重要意义。本项目将针对材料的动态损伤、断裂和破碎等行为，以实验为主要研究手段，结合理论分析和数值模拟，研究爆炸载荷作用下金属平板的断裂和破片成形机理：(1)开展金属平板爆炸实验，得到爆炸载荷强度、几何尺度、材料特性和刻槽对断裂过程和破片分布的影响规律；(2)基于细观研究，分析金属平板的应力状态与断裂模式的关系，建立考虑损伤演化过程的动态本构模型并推导断裂判据；(3)建立包含化学反应模型的流体弹塑性守恒方程组，给出能够合理描述爆炸载荷作用下金属平板大变形的高精度Eulerian-Lagrangian粒子耦合算法，并开发相应的并行计算程序；(4)开展数值模拟研究，重现金属平板不同的断裂模式，揭示相关的物理细节，结合实验数据给出计算破片分布和飞散特性的方法。本项目的研究成果可以为新型武器的研制和防护设计提供技术支撑。

本项目针对材料的动态损伤、断裂和破碎等行为，以实验为主要研究手段，结合理论分析和数值模拟，研究了爆炸载荷作用下金属平板的断裂和破片成形机理。(1)设计了内嵌复杂刻槽钢板预控破片战斗部的静爆实验，利用高速摄影技术获取结构在爆炸冲击载荷下的动态响应特性，提出了三种破片初速测试方法，进一步分析了破片与冲击波的相对运动关系。考虑了炸药中横向和轴向两个方向稀疏波的影响，得到爆炸载荷强度、几何尺度、材料特性和刻槽对断裂过程和破片分布的影响规律。(2)根据回收破片分析了刻槽钢板的断裂规律，即刻槽较浅时，断裂以拉伸脆断和复合断裂模式为主，破片形成率较低，刻槽较深时则是剪切失效占主导，破片形成率较高。基于细观研究，分析金属平板的应力状态与断裂模式的关系，建立了考虑损伤演化过程的动态本构模型和断裂判据。(3)提出了一种 Euler网格与 Lagrange粒子相耦合的粒子映射算法，在金属介质网格中添加带正六面体影响域的粒子，用于表征材料动态本构关系以及损伤破坏过程。物理量在网格和粒子之间的双向映射则是根据粒子与网格的拓扑关系通过影响域加权实现。与实验结果的对比表明，该方法能很好地处理材料的大变形及动态破坏过程，同时保证了计算精度和效率。(4)用耦合粒子法模拟研究了爆轰加载过程中平板结构内部的塑性应变、等效应力、压力、速度等物理量的实时分布规律，得到了不同装药结构下爆炸加载刻槽钢板的响应特性。通过实验对比研究，分析了钢板内沟槽破坏机理，提出了刻槽钢板的三种破坏模式，验证了数值模拟与理论分析模型的合理性。本项目的研究成果可以为新型武器的研制和防护设计提供技术支撑。