薄壁金屬圓柱管的沖擊膨脹斷裂行為研究.pdf

1、薄壁金屬圓柱管在內(nèi)部沖擊加載下發(fā)生膨脹斷裂應(yīng)用十分廣泛。本文首先從薄壁金屬圓柱管（環(huán)）膨脹斷裂的斷裂規(guī)律、斷裂準(zhǔn)則、本構(gòu)關(guān)系以及實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段四個(gè)方面回顧和總結(jié)了薄壁金屬圓柱管在內(nèi)部沖擊載荷下發(fā)生膨脹斷裂的研究現(xiàn)狀。針對(duì)薄壁金屬圓柱管膨脹斷裂研究缺乏凍結(jié)回收手段、難以分析斷裂過程的現(xiàn)狀，以45鋼材料為例，通過數(shù)值模擬和具體實(shí)驗(yàn)研究建立了基于SHPB實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。該實(shí)驗(yàn)技術(shù)可在102s-1～104s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)，研究薄壁金屬圓柱管

2、的動(dòng)態(tài)膨脹斷裂，能實(shí)時(shí)監(jiān)測圓柱管凸起變形處從膨脹變形直至發(fā)生斷裂的整個(gè)過程中的徑向應(yīng)變、內(nèi)壓載荷、環(huán)向拉伸應(yīng)力，并能準(zhǔn)確判斷圓柱管的斷裂時(shí)刻，以及徑向斷裂應(yīng)變、應(yīng)變率和環(huán)向拉伸斷裂應(yīng)力。通過控制實(shí)驗(yàn)載荷脈寬，可進(jìn)行凍結(jié)回收實(shí)驗(yàn)，觀察圓柱管膨脹變形過程中裂紋萌生、擴(kuò)展的整個(gè)過程，系統(tǒng)研究薄壁金屬圓柱管在沖擊載荷下的膨脹斷裂機(jī)理，為后續(xù)薄壁金屬圓柱管膨脹斷裂準(zhǔn)則的研究提供更充分的理論基礎(chǔ)，為工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。
　　在基于SHPB實(shí)驗(yàn)裝

3、置的實(shí)驗(yàn)技術(shù)上，研究了兩種壁厚(內(nèi)、外徑分別為7mm/8mm和7mm/7.5mm)45鋼薄壁圓柱管在不同加載應(yīng)變率下的膨脹斷裂行為，得到了其膨脹斷裂特性。首先，在本次實(shí)驗(yàn)加載應(yīng)變率(102s-1～103s-1)范圍內(nèi)，45鋼薄壁圓柱管無論壁厚減少還是載荷強(qiáng)度提高，都會(huì)導(dǎo)致圓柱管斷裂時(shí)間縮短，圓柱管斷裂應(yīng)變?cè)黾?。其次?5鋼薄壁圓柱管在實(shí)驗(yàn)加載應(yīng)變率范圍內(nèi)，裂紋始終起始于外壁面，并且隨著加載應(yīng)變率的提高，裂紋萌生形式由拉伸型逐漸向剪切型轉(zhuǎn)

4、變，對(duì)圓柱管的數(shù)值模擬應(yīng)力狀態(tài)分析結(jié)果印證了這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的合理性。在實(shí)驗(yàn)加載應(yīng)變率范圍內(nèi)，剪切裂紋在外壁面萌生后會(huì)一直沿剪切方向向內(nèi)壁面擴(kuò)展，拉伸裂紋在沿徑向擴(kuò)展一段距離后，轉(zhuǎn)而沿剪切方向擴(kuò)展。再次，45鋼薄壁圓柱管在實(shí)驗(yàn)加載應(yīng)變率范圍內(nèi)，隨著加載應(yīng)變率提高，圓柱管斷裂模式會(huì)從拉剪混合型轉(zhuǎn)變?yōu)榧兗羟行?，這種由拉剪混合向純剪斷裂模式過渡的臨界加載應(yīng)變率為1.8×103 s-1（圓柱管外徑7.5mm）、1.5×103 s-1(圓柱管外徑8

5、mm)。最后，45鋼薄壁圓柱管在加載應(yīng)變率提高到一定程度后，會(huì)出現(xiàn)多裂紋、多斷口現(xiàn)象。外徑7.5mm圓柱管出現(xiàn)多條裂紋的臨界加載應(yīng)變率為2.4×103 s-J，外徑8mm圓柱管出現(xiàn)多條裂紋的臨界加載應(yīng)變率為1.6×103 s-1。
　　實(shí)驗(yàn)中觀察到分層槽這一新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:圓柱管實(shí)驗(yàn)斷面存在沿軸向的平行槽，將斷面沿徑向分為很多層。分層槽具有以下特征:首先，分層槽在斷面上對(duì)稱分布，是一種拉伸應(yīng)力作用的結(jié)果。分層槽是裂紋在擴(kuò)展過程中減緩

6、擴(kuò)展速度（甚至停止）時(shí)，卸載波對(duì)生成斷面部分進(jìn)行卸載，使其發(fā)生環(huán)向彈性收縮，而這種環(huán)向收縮并不均勻（外壁面部分?jǐn)嗝姝h(huán)向收縮較裂尖部分嚴(yán)重），這種非均勻性彈性收縮引發(fā)的殘余應(yīng)力場將使徑向裂紋裂尖發(fā)生環(huán)向分叉，但由于殘余應(yīng)力場的分布特點(diǎn)，并不會(huì)使剪切裂紋裂尖分叉。由于卸載殘余應(yīng)力強(qiáng)度并不高，所以分層槽深度（裂尖分叉裂紋深度）并不深，只有5μm左右，而這種淺的分層槽也可能引起裂紋擴(kuò)展方向的改變（平移到原始路徑平行的擴(kuò)展面上）。
　　其次