金属柱壳碎裂行为及载荷、结构、缺陷影响的研究

Explosively driven fragmentation of ductile metals cylinders is a highly complex phenomenon in which several mechanisms lead to fracture can be identified, affected by many factors such as the characteristics of the impulsive loadings, the materials, the geometry of the shell structures, etc. In this study, tubular metal specimens will explosively expanded to fragmentation, and the effects of explosive energy, configuration, geometric imperfections, shall be investigated on the deformation and fracture behavior of the cylinders experimentally. Fractographic and metallographic examination are carried out on the analysis of the fragmentations，to identify the mode of fracture. The rule of the fracture mode variation with explosion loading will be discussed. The effect of strain rate on the fragments distribution and its characteristic size will be studied experimentally, in which the differences and similarities of the fragmentation behavior for materials in different fracture modes concern. Furthermore, the fracture initiation, fracture mechanism, and characteristic size of the fragments affected by geometric imperfections of cylinder is studied experimentally. The rule of the fragments self-organization space affect by periodicity of defect will be acquainted.

金属柱壳碎裂过程是一个受材料、载荷、结构、缺陷等多种因素影响的复杂物理现象，存在包括拉伸、剪切、绝热剪切及其混合型等多种断裂模式。本项目拟设计实验对载荷、结构、几何缺陷等因素对柱壳膨胀碎裂过程的影响开展研究，通过对碎片断口及金相分析辨识断裂模式，探讨不同爆炸载荷作用下柱壳的断裂模式及变化规律，以及加载率对柱壳碎片尺寸分布及特征尺寸的影响。区分不同断裂模式下的材料碎裂特性的异同。在此基础上，进一步就柱壳几何缺陷对碎裂过程、碎片特征尺寸的影响开展实验研究，揭示表面周期性几何缺陷特征对金属柱壳碎片尺寸影响及控制规律。

爆炸加载下金属柱壳等轴对称旋转壳体膨胀断裂过程是武器研制领域关注的重要课题，具有强烈的军事需求背景。该过程是一个强冲击作用下材料和结构经历高应变率塑性大变形后碎裂的复杂物理现象，其破坏位置存在一定的随机性，并非完全加载条件或试样构型事先决定，存在多种断裂模式（层裂、剪切、拉伸）的竞争与耦合，这种自发破坏行为（Spontaneous fracture）能够更深层次地反映材料自身对不同破坏机制的敏感性以及断裂的概率特性，蕴涵着丰富的力学与材料学基础科学问题，吸引着众多学者的长期关注。本项目围绕柱壳在不同爆炸载荷下膨胀断裂机制、碎裂特性及其影响因素开展实验设计，对钛合金、碳钢等金属材料柱壳在不同爆压下回收碎片进行宏观及微观分析，结合SPH数值方法探讨爆炸压力、材料动态破坏特性、微观组织变化等对断裂机制及碎裂特性的影响。主要结果包括：（1）不同爆压作用下金属柱壳剪切、拉剪混合等宏观断裂模式的形成机制及演化过程并不相同，在建立分析模型或物理模拟时需要涉及材料动态破坏机制及组织相变影响。（2）Weibull分布中的Rayleigh形式仍可较好描述平面应变柱壳碎片的宽度分布规律，不同应变率下碎片尺寸累积分布归一化结果具有相似性，呈现“量子化”特性，柱壳碎裂破片特征宽度与断裂机制相关。G-K剪切模型远小于碎片尺寸，反映的是材料多重绝热剪切带间距。（3）金属柱壳爆炸膨胀过程经历高应变率大变形，可能发生动态相变。 TA2钛柱壳发生α→β动态相变及随后高温β相的马氏体转变，对柱壳破坏演化产生影响。（4）机加工几何缺陷对柱壳爆炸膨胀几乎没影响，但对断裂机制及碎片分布特性有重要控制作用。研究工作深化了对柱壳爆炸断裂模式及影响因素的理解，可为二维碎裂分析提供重要参考。