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带裂纹金属材料在强电热与机械载荷作用下的损伤研究

杨琳  
【摘要】:在电磁发射过程中,工作电流在兆安量级,局部电流密度可达10~9A/m~2量级,瞬间产生巨大的焦耳热,热量积累导致材料温度急剧升高,甚至达到熔点。电枢受到洛伦兹力的驱动以及尾部的电磁压力,轨道也多次发射时也受到复杂循环的电磁力作用,因此电磁发射过程就是一个瞬态强电热与机械载荷的耦合作用过程。当电枢和轨道材料中含有裂纹缺陷时,强电热与机械载荷将联合引发裂纹扩展和材料熔化等损伤,严重影响发射效率和身管寿命。本文针对电磁发射过程中含裂纹材料的损伤问题开展实验和理论研究,主要的研究内容和结果如下:设计不同裂纹尺寸和电流载荷条件,开展铝合金材料在强电热载荷作用下的裂尖熔化实验,建立与实验相对应的理论模型和有限元模型,对比计算结果与实验结果发现,影响裂尖损伤行为的主要因素是温度,是否考虑材料电阻率随温度的变化显著影响计算结果。强电热载荷使得裂纹尖端区域材料内部原子的扩散及位错的移动加速,材料内部的温度梯度使得裂尖区域显微结构发生改变,通过光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDX)、X射线衍射(XRD)和电子背散射衍射(EBSD)的观察,对裂纹尖端发生的微观组织改变进行研究分析。通过硬度测试和拉伸实验得到裂纹尖端微观硬度和材料力学强度的变化,获得了裂尖区域显微结构和宏观性能变化之间的影响规律。建立了带有单边裂纹的半无限大载流薄板结构在电热—机械载荷作用下的电场、温度场和应力场控制方程和边界条件,采用复变函数中保角映射和坐标变换的方法对方程进行求解。搭建了由高压脉冲电源和力学实验机构成的加载系统以及由罗氏线圈、超高速红外测温仪和高速摄影构成的测试系统,开展了瞬态强电热与机械载荷作用下带裂纹金属材料损伤实验,获得了裂纹尖端材料熔化和飞溅、裂纹张开和扩展行为的损伤演变过程。建立了电热—机械多物理场载荷作用下带裂纹金属材料的损伤行为仿真计算方法。采用间接方法求解耦合问题,将多物理场复杂载荷作用仿真分解为电热耦合、热-位移耦合、XFEM裂纹扩展和相变处理四个分析步,实现了对材料熔化及裂纹扩展行为的仿真模拟,并通过与实验的结果对比验证了仿真方法的有效性。


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