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SHPB实验中泡沫铝细观结构变形特征与应变率效应机理研究

杨宝  
【摘要】:泡沫铝材料具有轻质、高比强度、高比刚度和高效吸能等优点,在冶金、建筑、交通、化工和通讯等领域得到广泛的应用。因此,泡沫铝材料的力学性能尤其是冲击条件下的动态力学性能是相关研究的一个焦点。目前,泡沫铝动态力学性能的测量主要依赖分离式霍普金属压杆(SHPB)技术。SHPB实验技术是基于波导杆中一维应力波传播和应力均匀基本假设的,以杆端的应力和位移推导试件的平均应力-应变关系,隐含了试件应变均匀的假设。但由于大量孔洞的存在,在高应变率下泡沫铝材料的变形不均匀,这意味着在SHPB实验中可能不严格满足SHPB实验技术的基本假设。此外,国内外对泡沫铝材料的应变率效应的研究也存在矛盾性的报道。为了客观地评估SHPB实验技术在泡沫铝动态力学性能测试过程中的有效性和应变率效应,需要从细观角度了解泡沫铝在SHPB冲击试验过程中的细观结构变形特征。本文正是从这关键点出发,从实验细观结构变形观测、细观结构建模与SHPB实验仿真等方面开展研究。本文主要的研究内容包括: (1)本文设计了SHPB实验装置和高速摄影机系统,以观察泡沫铝材料在SHPB冲击试验过程中的实时变形。通过SHPB和高速摄影机的系统同步设计、灯光改进设计以及试件表面处理等成功实时观测了泡沫铝试件在SHPB冲击过程中的细观结构变形,并结合数值图像处理方法定量化分析试件整体变形和局部变形。通过本实验系统,不仅用传统方法测量了泡沫铝在不同应变率下的应力-应变关系,还观测到泡沫铝试件在SHPB冲击过程中会受到输入杆的多次撞击行为,特别是泡沫铝细观结构的变形与破坏特征。指出在中低应变下,泡沫铝试件在第一次撞击时破坏不明显,更多的损伤破坏是由于后续的多次撞击造成的。通过定量化分析在不同冲击时刻的泡沫铝试件应变的分布,发现泡沫铝试件在SHPB冲击过程中,变形确实是不均匀的,局部应变是试件平均应变的2~3倍。 (2)为了更全面地了解泡沫铝在SHPB实验过程中的细观结构变形特征,利用3DVoronoi技术模拟了泡沫铝材料的细观结构,建立包含细观结构的泡沫铝试件和SHPB实验系统模型,开展了SHPB实验的数值仿真。数值模拟结果表明在冲击荷载作用下泡沫铝试件发生明显的局域化变形,其变形主要集中在试件的端部:较低应变率时变形主要发生在试件透射杆端,较高应变率下变形主要发生在试件入射杆端,中间过渡应变率范围内试件两端变形明显。为了定量地刻画泡沫铝试件的变形不均匀性,本文定义了最大局域应变比率。在本文研究的应变率范围(41/s-585/s)内,相对密度为0.2的泡沫铝试件局域应变是试件平均应变的2~3倍。这意味在SHPB实验过程中,泡沫铝材料的应变率事实上应该达到名义应变率的2~3倍,这可用做修正SHPB实验结果的参考。 (3)为了考察泡沫铝应变率效应,建立包含泡沫铝细观结构的SHPB实验仿真模型,以及基于泡沫铝基体材料应变率不敏感的前提下,模拟SHPB实验系统测量了不同冲击速度下的泡沫铝应力-应变关系。定量化分析泡沫铝基体材料的惯性效应和泡沫铝试件的细观结构变形特征,揭示了泡沫铝材料表现出应变率敏感性是细观结构变形的不均匀和基体材料惯性效应共同作用的结果。该结果能很好地解释用输入杆和输出杆信号得到泡沫铝材料存在不同应变率敏感性问题。定义了泡沫铝试件的非均匀度R,定量化分析其与泡沫铝材料应变率敏感度m之间的关系,结果表明在一定应变率范围内两者满足线性关系。


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