W/ZrNiAlCu亚稳态合金复合材料破片对RHA靶的侵彻释能特性

为研究W/ZrNiAlCu亚稳态合金复合材料破片对RHA靶板的侵彻释能特性，采用高速摄影弹道枪侵彻实验和能量方程、Avrami-Erofeev方程理论分析的方法，对破片的侵彻释能过程、侵彻规律、释能规律进行了研究。结果表明，破片在撞击并贯穿靶板的过程中激发了材料的燃烧反应，在靶板前方和后方产生了明显火光，随着撞击速度增加，火光范围增加、亮度提高；破片撞击速度、冲塞体速度的关系符合采用能量法推导的包含质量损失的破片侵彻公式，破片理论弹道极限速度为987.1 m·s?1；在实验速度范围内，材料反应效率随着冲击压力的增加而增加，与实验现象吻合。     

????????????????????????

对穿甲弹准定常侵彻半无限厚靶 板的问题,提出了一个考虑应变率效应的包括带有蘑菇头的未碎弹体、弹的破碎及扩孔区、 靶的破坏和扩孔区的简化侵彻模型. 通过侵彻过程中简化模型各部分的力学守恒定律,得到 了侵彻问题的简化常微分方程组,并以分析和数值计算相结合的方法分析了弹、靶强度的应 变率效应及弹破碎应变的应变率效应对侵彻效果的影响. 数值计算结果跟实验结果对比基本 一致.     

钨合金杆材料属性与侵彻性能的关系

通过对钨合金杆侵彻半无限厚铝合金靶问题的数值模拟,研究了高速侵彻中动能杆材料属性与侵彻性能的影响关系.计算采用的弹塑性流体本构模型中,用来描述材料属性的主要参数有:失效应变、屈服强度、剪切模量等.数值结果表明,失效应变是影响侵深的主要参数,而屈服强度和剪切模量对侵深的影响很小.另外,在此基础上,对着速在785 m/s～1924 m/s范围内的动能杆侵彻问题进行了数值模拟,计算结果与试验数据符合较好.     

活性粉末混凝土抗多次侵彻实验研究及数值预测

活性粉末混凝土（reactive powder concrete,RPC）具有超高的强度和优异的阻裂性能。为了研究RPC在多次冲击荷载下的损伤规律,采用25 mm口径滑膛炮对直径为600 mm、高600 mm的RPC圆柱形靶体进行了多次侵彻实验,得到了每次侵彻后靶体的破坏数据,并根据实验数据确定了Forrestal经验公式中的相关系数。基于K&C本构模型和现有RPC基本力学性能的实验数据,修正了K&C模型的强度面参数、损伤参数、状态方程参数、损伤演化模型以及应变率效应相关参数,系统地确定了RPC的K&C模型参数。采用LS-DYNA软件中的重启动功能模拟了弹体多次侵彻RPC靶体的破坏结果,模拟结果与实验结果基本一致,验证了模拟方法的有效性。对长2 200 mm、宽2 200 mm、高1 260 mm的RPC靶体抗侵彻实验进行了数值预测,得到了侵彻深度与弹速之间的关系、弹体贯穿靶体时的极限速度以及弹体侵彻过程中的峰值加速度。     

平纹编织C/SiC复合材料低速冲击数值模拟

首先,基于空气炮装置进行了2D-C/SiC薄板在冲击速度为79~219 m/s范围内的低速冲击实验,对碎片云团发展过程进行高速摄影记录;其次,基于Autodyn软件正交各向异性复合材料模型,推导2D-C/SiC材料相关参数;选取SPH求解器建立二维计算模型,对实验工况进行数值模拟,并基于碎片云结构、B扫描检测结果和碎片云轴向发展速度验证了该模型可以很好地描述C/SiC材料在冲击载荷作用下的脆性特征和软化行为。最后,基于数值模拟结果推导得出了钢弹丸冲击C/SiC材料的极限侵彻深度预测公式。     

花岗岩Kong-Fang流体弹塑性损伤材料模型参数研究

岩石类材料的动态力学模型的建立及相应模型参数的确定,对岩石动态力学性能研究及相关仿真计算具有重要意义。以山东五莲地区花岗岩为例,基于Kong-Fang流体弹塑性损伤材料模型（KF模型）,通过准静态单轴压缩、劈裂、常规三轴实验及动态分离式霍普金森杆压缩（split Hopkinson pressure bar,SHPB）实验对模型中的强度参数进行了确定,并利用基于分离式霍普金森杆的巴西圆盘（split Hopkinson pressure bar-Brazilian disk,SHPB-BD）实验对应变率相关参数的有效性进行了验证;同时,根据平板撞击实验结果对模型中的状态方程参数进行了拟合。利用实验获得的材料参数值,采用KF模型对花岗岩侵彻实验进行数值模拟,计算得到的弹体侵彻深度及成坑尺寸与实际实验结果误差均小于15%,验证了材料模型及参数值的适用性。     

高压水射流冲击下煤体破碎强度的确定

基于球形空腔膨胀理论，将煤体在高压水射流冲击下的动态力学响应分为破碎区、裂纹区、弹性区，并分析了各区的力学特征，在此基础上得出了高压水射流冲击下煤体的破碎强度(即高压水射流发生破煤现象的最小冲击压力)的计算公式。将理论计算结果与实验和数值模拟进行对比分析，结果表明：煤体在相同力学参数条件下，数值模拟和模型实验得出的高压水射流破煤压力为15～20MPa，本文理论推导得出的煤体破碎强度(最小破煤压力)为17.86MPa，二者误差小于16%。     

PELE弹侵彻过程壳体膨胀破裂的数值模拟

采用AUTODYN-3D和基于Mott破片分布理论的Stochastic随机破碎模型对横向增强效应弹丸(PELE)侵彻过程钢壳体膨胀过程进行了三维数值模拟,对比分析了旋转和着角两因素对弹丸侵彻铝靶时壳体破裂产生自然破片的影响,得到了破片数量质量分布及径向速度梯度等变化规律。     

垫层对破片冲击起爆带壳炸药影响的数值模拟

将战斗部简化为带钢壳和垫层的炸药组件,用3种不同厚度的材料作垫层,利用非线性有限元软件AUTODYN对高速破片侵彻、引爆带壳炸药的作用过程进行了数值模拟,得到了高速破片冲击起爆带壳带垫层炸药的波后压力剖面。对不同厚度多种材料作为垫层时带壳炸药的冲击到爆轰距离进行了对比分析,结果表明,通过控制垫层的材料和厚度,可以对破片冲击起爆带壳炸药进行有效抑制。研究结果对战斗部破片起爆的防护设计具有指导意义。     

冲击载荷下脆性空心颗粒破碎机理

为考察脆性空心颗粒在冲击载荷作用下的应变率效应和破碎行为的细观机理,以粉煤灰漂珠为研究对象,基于低速冲击实验和有限元数值模拟,对比了典型空心颗粒材料在不同加载速率下的力学响应特性和细观压溃行为,阐释了材料宏观应变率效应产生的细观机理,获得以下结果。（1）在0.001～300 s?1应变率范围,漂珠颗粒的破碎率和Hardin破碎势平均提升了约21%和10%～30%,材料比吸能提升了50%～125%,比吸能的额外增加主要与动态颗粒滑移产生的摩擦耗能相关。颗粒平均尺寸较大的试样体现出更强的应变率效应。（2）初始压溃阶段的应力应变响应特征的数值模拟结果与实验结果较吻合,低速冲击下动态二次压溃现象产生的细观机理为动态颗粒滑移和压紧行为对加载速率的依赖性。(3) 数值模拟表明,冲击加载下产生相同应变时颗粒的损伤程度和范围大于准静态加载,这与实验所得破碎势随应变率增加的结果一致。对比低速冲击实验的相对破碎势分析和细观数值模拟结果可知,脆性颗粒堆积材料在动态冲击下表现出的宏观应变率效应主要归因于颗粒压溃行为的率敏感性和动态加载下颗粒破碎能量利用率的降低。     

ZrCuNiAlAg块体非晶合金JH-2模型研究

为了更好的进行ZrCuNiAlAg块体非晶合金药型罩的爆炸成形及侵彻仿真研究，首要就是建立其材料模型。本文结合ZrCuNiAlAg块体非晶合金力学性能试验结果计算得到了材料的JH-2模型参数，研究确定了ZrCuNiAlAg块体非晶合金JH-2模型。为了验证ZrCuNiAlAg块体非晶合金JH-2模型的准确性，采用Autodyn建立了平板撞击试验有限元模型，模拟了ZrCuNiAlAg块体非晶合金材料在高压、高应变率等环境条件下的变形过程，仿真计算得到的靶板背面自由面粒子速度与试验结果相比，速度平均偏差均在3%以内，表明ZrCuNiAlAg块体非晶合金JH-2模型能很好的描述该材料在大变形、高应变率、高压等环境条件下的力学行为，验证了ZrCuNiAlAg块体非晶合金JH-2模型准确性。     

Zr基非晶合金破片冲击破碎反应机制研究

为研究Zr基非晶合金破片的冲击破碎反应机制,进行了准密封箱冲击超压实验,测试了破片的碎片粒度,分析了碎片尺寸分布关系,并对不同粒径尺度的碎片进行了X射线衍射分析。实验结果表明,材料在冲击加载下的反应程度随着撞击速度的升高而增大;碎片分布符合分段式幂次律分布规律;材料冲击诱发的化学反应主要为Zr元素与空气中氧气的燃烧,其主要反应产物为ZrO₂。基于冲击升温-碎片分布-碎片燃烧的冲击破碎反应理论模型能较好地解释冲击作用下Zr基非晶合金破片的反应规律,理论计算与实验结果吻合度较高。     

W骨架/Zr基非晶合金复合材料破片侵彻能力与后效研究

将W骨架/Zr基非晶合金复合材料破片装入弹体制备成预制破片弹丸,并进行实爆试验,研究W骨架/Zr基非晶合金复合材料预制破片侵彻靶板的能力,以及预制破片贯穿靶板后对棉被、油箱的引燃能力。结果表明:制备的W骨架/Zr基非晶合金复合材料密度大、强度高,爆炸完整性和侵彻能力能够满足作为榴弹预制破片的要求;W骨架/Zr基非晶合金复合材料破片侵彻过程中自身变形是影响侵彻能力的主要原因之一;W骨架/Zr基非晶合金复合材料预制破片侵彻和贯穿靶板的过程中伴随着强烈的爆轰,当穿透率足够高时,预制破片的爆轰作用能够引燃靶后的棉被和油箱。     

基于爆炸切割试验的有机玻璃本构模型参数反演

为了获取爆炸切割数值模拟中有机玻璃（PMMA）的材料本构模型参数,建立了一种基于神经网络的有机玻璃Johnson Holmquist ceramics (JH-2)本构模型参数反演方法：基于从爆炸切割试验和现有研究得到的JH-2本构模型经验参数,确定本构模型参数的调整区间;使用LS-DYNA数值模拟软件对2.5 mm宽爆炸切割索切割14 mm PMMA平板过程进行数值模拟并收集平板损伤数据集;建立PMMA平板本构模型参数与损伤数据之间的神经网络模型;通过训练完成的神经网络模型对PMMA平板的JH-2本构模型参数进行反演。为验证通过反演参数的可靠性,进行了4.2 mm宽爆炸切割索切割19 mm PMMA平板试验和有限元数值模拟,计算结果中的平板损伤情况与实验结果相差较小,表明通过反演获得的JH-2本构模型参数能较好地应用于PMMA平板爆炸切割数值模拟。传统材料参数获取方法,该参数反演方法相较于可以通过较少的试验及测试,获得比较准确的材料本构模型参数。     

Surface tension-driven shape-recovery of micro/nanometer-scale surface features in a Pt57.5Ni5.3Cu14.7P22.5 metallic glass in the supercooled liquid region: A numerical modeling capability

Recent experiments in the literature show that micro/nano-scale features imprinted in a Pt-based metallic glass, Pt_57.5Ni_5.3Cu_14.7P_22.5, using thermoplastic forming at a temperature above its glass transition temperature, may be erased by subsequent annealing at a slightly higher temperature in the supercooled liquid region (Kumar and Schroers, 2008). The mechanism of shape-recovery is believed to be surface tension-driven viscous flow of the metallic glass. We have developed an elastic-viscoplastic constitutive theory for metallic glasses in the supercooled liquid temperature range at low strain rates, and we have used existing experimental data in the literature for Pt_57.5Ni_5.3Cu_14.7P_22.5 (Harmon et al., 2007) to estimate the material parameters appearing in our constitutive equations. We have implemented our constitutive model for the bulk response of the glass in a finite element program, and we have also developed a numerical scheme for calculating surface curvatures and incorporating surface tension effects in finite element simulations. By carrying out full three-dimensional finite-element simulations of the shape-recovery experiments of Kumar and Schroers (2008), and using the independently determined material parameters for the bulk glass, we estimate the surface tension of Pt_57.5Ni_5.3Cu_14.7P_22.5 at the temperature at which the shape-recovery experiments were conducted. Finally, with the material parameters for the underlying elastic-viscoplastic bulk response as well as a value for the surface tension of the Pt-based metallic glass fixed, we validate our simulation capability by comparing predictions from our numerical simulations of shape-recovery experiments of Berkovich nanoindents, against corresponding recent experimental results of Packard et al. (2009) who reported shape-recovery data of nanoindents on the same Pt-based metallic glass.     

80%钨纤维增强锆(Zr)基块体金属玻璃复合材料长杆弹侵彻钢靶实验研究

本文在765~1766m/s速度范围内,对钨纤维体积分数为80%的增强锆(Zr)基块体金属玻璃复合材料长杆弹进行侵彻Q235钢靶的穿甲试验,对残余弹体进行宏、细观观测,研究弹体材料的失效破坏模式。穿甲试验表明,在大于1000m/s速度侵彻时,钨纤维非晶弹拥有头形自锐能力,表现出优秀的侵彻能力。弹材变形和破坏主要发生于弹体头部边缘层,呈局域化和尖锐化特点,而且边缘层厚度在整个高速穿甲过程中保持动态平衡。由于非晶基体作用,弹体材料易发生剪切断裂等破坏,通过流动形成质量侵蚀并导致弹体头部边缘层形成自锐。     

钨纤维复合材料穿甲弹芯侵彻时的自锐现象

对钨合金穿甲弹和钨纤维/Zr合金金属玻璃基复合材料穿甲弹进行了靶场对比侵彻实验。穿甲弹侵彻过程中,钨合金弹芯头部形成蘑菇头、头部晶粒被径向压扁;钨纤维复合材料弹芯头部在侵彻过程中,发生了绝热剪切破坏,具有自锐行为,且在弹芯头部形成很薄的边缘层,仅在这层中金属玻璃基体破碎,钨纤维断裂,温度升高,质量消蚀。钨纤维复合材料穿甲弹的侵彻能力明显高于钨合金穿甲弹。     

Coupled thermo-mechanical modelling of bulk-metallic glasses: Theory, finite-element simulations and experimental verification

A three-dimensional, finite-deformation-based constitutive model to describe the behavior of metallic glasses in the supercooled liquid region has been developed. By formulating the theory using the principles of thermodynamics and the concept of micro-force balance [Gurtin, M., 2000. On the plasticity of single crystals: free energy, microforces, plastic-strain gradients. J. Mech. Phys. Solids 48, 989-1036], a kinetic equation for the free volume concentration is derived by augmenting the Helmholtz free energy used for a conventional metallic alloy with a flow-defect free energy which depends on the free volume concentration and its spatial gradient. The developed constitutive model has also been implemented in the commercially available finite-element program ABAQUS/Explicit (2005) by writing a user-material subroutine. The constitutive parameters/functions in the model were calibrated by fitting the constitutive model to the experimental simple compression stress-strain curves conducted under a variety of strain-rates at a temperature in the supercooled liquid region [Lu, J., Ravichandran, G., Johnson, W., 2003. Deformation behavior of the Zr-Ti-Cu-Ni-Be bulk metallic glass over a wide range of strain-rates and temperatures. Acta Mater. 51, 3429-3443].With the model calibrated, the constitutive model was able to reproduce the simple compression stress-strain curves for jump-in-strain-rate experiments to good accuracy. Furthermore stress-strain responses for simple compression experiments conducted at different ambient temperatures within the supercooled liquid region were also accurately reproduced by the constitutive model. Finally, shear localization studies also show that the constitutive model can reasonably well predict the orientation of shear bands for compression experiments conducted at temperatures within the supercooled liquid region [Wang, G., Shen, J., Sun, J., Lu, Z., Stachurski, Z., Zhou, B., 2005. Compressive fracture characteristics of a Zr-based bulk metallic glass at high test temperatures. Mater. Sci. Eng. A 398, 82-87].     

动高压加载下锆基金属玻璃强度测量

为了研究Zr₅₁Ti₅Ni₁₀Cu₂₅Al₉金属玻璃的高压强度特性,进行了平靶冲击实验。采用反向碰撞方式,运用DISAR技术测量金属玻璃样品/LiF窗口界面粒子速度剖面,分析粒子速度剖面获得了37~66GPa压力范围锆基金属玻璃的屈服强度和剪切模量。实验结果表明,在上述压力范围金属玻璃的屈服强度和剪切模量均显示出一定程度的压力硬化效应,分析表明金属玻璃冲击加载波阵面剪应力衰减并非由损伤/破坏或温度软化等因素导致。     

The multi-axial deformation behavior of bulk metallic glasses at high homologous temperatures

In this work, we study the behavior of a recently-developed Lanthanum-based bulk metallic glass under uniaxial and multi-axial stress-states using the constitutive model developed by Thamburaja and Ekambaram (2007). The material parameters in the constitutive model are fitted to match the stress–strain responses obtained from a set of simple compression experiments conducted at temperatures within the supercooled liquid region under a variety of strain rates spanning approximately three decades. With the material parameters calibrated, we show that the aforementioned constitutive model is able to accurately predict the force vs. displacement responses of representative experiments conducted under multi-axial stress-states at temperatures within the supercooled liquid region, namely three-point bending and the superplastic forming of a miniature gear component. In particular, the evolution of the specimen geometry during the deformation under multi-axial loading conditions are also well-predicted by the constitutive model.