爆炸容器绝热剪切瞬态演化过程与断裂形貌预测

爆炸容器在国防军事等部门发挥着重要而独特的作用。迄今，国内外针对爆炸容器的研究主要集中在弹性或弹塑性动力响应等方面，而关于爆炸容器的失效模式和失效机理的相关研究少见于文献。针对爆炸容器这种承受强动载荷的结构，本项目基于初步的试验结果，提出了爆炸容器以绝热剪切为主导的失效模式。绝热剪切是一个包含材料微结构和状态改变的动态演化过程，直接模拟这些微观结构的演化存在相当的困难。本项目通过建立材料绝热剪切损伤演化模型，将材料发生微结构和状态改变时所对应的力学临界条件作为动态失效准则引入到宏观计算程序中，对满足临界条件的物质点赋予剪切带内流体本构关系或加以标记和删除，从而模拟强冲击载荷下剪切带在爆炸容器上扩展演化的瞬态过程，模拟结果可近似预测爆炸容器最终的断裂形貌。这一方法也可用于发生爆炸事故的各种容器、管道的事故反演分析。

本项目针对爆炸容器用钢（ASS304、AISI1020）开展了爆炸载荷加载实验和动态裂纹扩展实验，研究发现对于承受强动载荷的爆炸容器，由于材料变形速度大大高于热传导速度，塑性变形所产生的热量来不及向周围区域传递而在材料局部堆积，这种近似绝热的过程可使变形区达到很高温度并导致材料软化与流动，因此爆炸容器随着应变率的提高会经历一个由脆性断裂向韧性断裂的失效模式转变，且由于失效机理的不同，导致断裂面的宏观形貌也显著不同。通过试验研究和微观形貌观测，本项目揭示了高速冲击载荷下结构断裂模式突变的机理，建立了考虑应变率效应的动态失效准则，通过建立材料绝热剪切损伤演化模型，将材料发生微结构和状态改变时所对应的力学临界条件作为动态失效准则引入到宏观计算程序中，对满足临界条件的物质点赋予剪切带内流体本构关系或加以标记和删除，从而实现了强冲击载荷下剪切带在爆炸容器上扩展演化的瞬态过程模拟，在国际上首次通过数值模拟复现了圆柱壳裂纹动态扩展过程，并捕捉到裂纹分叉现象，准确预测了板、壳结构在不同当量爆炸载荷作用下的宏观断裂形貌。在动力学计算程序中结合3D虚裂纹闭合技术，通过数值计算获得容器动力响应的同时，实时地输出裂尖的动态应力强度因子，从而实现了爆炸容器在冲击载荷作用下全过程的FAD评定。在此基础上，分别基于脆性失效模式和韧性失效模式，给出了量化的评定结果比较。当应变率较低时，基于韧性破坏的失效评定结果与FAD评定结果趋于一致，随着应变率的提高，二者评定结果开始表现出显著不同，而本项目提出的失效评定方法在定量描述裂纹扩展长度与断裂模式方面显然更具优势。研究结果澄清了压力容器领域现行的FAD方法所适用的应变率范围，具有较高的工程参考价值。研究成果之一发表在冲击动力学领域TOP期刊I. J. of Impact Engineering（2013,58:28-36）并被评价为“This is a very good paper with an important engineering contribution to dynamic loading in vessels.”研究成果还受到冲击动力学领域权威专家Romesh C. Batra教授等的持续关注，提升了国内爆炸容器研究团队在国际上的影响力和知名度。