内部爆炸载荷下柱壳结构破裂问题的研究

【摘要】：本文以燃料空气炸药(FAE)装置为研究对象，对金属柱壳结构在内爆炸载荷下动态破裂的过程进行了研究。文中重点是进行有限元数值仿真，与数值仿真相配合，从理论上近似地给出了薄壁柱壳结构高应变率膨胀的破裂条件，在爆炸洞里对爆炸壳体断裂参数进行了测量，并对壳体破片断口进行了显微观测和分析。在理论指导与实验验证下，使数值计算结果反映了爆炸壳体从最初膨胀直至完全破碎这一过程的变化规律。主要工作包括以下几个方面： 1)．在基于损伤的金属柱壳断裂判据中，改进了原有的积分路径及方法，从理论上推导出一个判断薄壁金属柱壳结构达到破裂状态的判据；得出临界断裂参数与模型材料参数之间的关系。同时为便于积分，在经典的高应变率材料动态本构关系中，使应变强化项与应变率项相互解耦，并引入自然应变形式。 2)．建立了FAE装置的有限元模型，对内部爆炸载荷下柱壳结构的膨胀破裂过程进行了数值仿真，利用节点固连失效法实现了破片的离散模拟技术，得出了壳体结构的主要断裂参数。其中两项技术有效地提高了数值仿真结果精度，为最终的弹体结构参数优化设计打下良好的基础。一是用曲线拟合法得出了一个普适性的刻槽影响函数，解决了以前破片模拟中不能考虑刻槽影响的问题。二是突破了传统的壳体网格划分只能沿刻槽的限制，使网格可以细化，并通过不同网格尺寸的模型计算与比较，显示了网格划分对结果的影响程度；此外，使用自行编制的动力学程序，对运动FAE装置云雾场分布规律做了简化的数值模拟，为工程部门提供了在新的发射条件下改进弹体结构设计的初步依据。 3)．实验测量方面，设计了一批FAE缩比模型试件，采用新的动态电测实验方法，在爆炸洞里对爆炸壳体实施了动态大应变历史和临界断裂参数的测量。实验结果验证了破裂准则所依据的理论模型的合理性，及支持了数值模拟得到的结果。另外，对靶场实验中回收的破片断口进行了电镜扫描(SEM)观测实验，反映了金属材料断裂的细观特征，揭示了高应变率材料韧、脆断裂模式及其相互转变的物理机制。