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爆炸加载下柱壳剪切断裂的机理研究

俞鑫炉  
【摘要】:柱壳在爆炸加载下的变形、破碎过程及机理研究在现在武器设计、防护结构分析中有着重要意义。其中绝热剪切破坏模式是柱壳破坏的主要模式。虽然针对对柱壳破坏的理论、实验研究较多,深化了人们对柱壳破坏及破坏机理的认识,但是由于对绝热剪切的机理尚未认识清楚,尤其是多重绝热剪切失稳机理尚需进一步的研究,从而在数值分析中远没有达到准确预测的效果,需要针对柱壳在爆炸载荷下剪切破坏机理进行深入的研究。本文总结分析实验结果,开展数值模拟计算研究,探讨柱壳爆炸加载下剪切断裂的机理。结果表明:(1)45#钢和钛合金圆管金属破坏主要存在两类,即双剪切型及单旋剪切型破坏模式,表现为从柱壳内壁产生绝热剪切,沿45°或135°扩展破坏。(2)载荷特征影响变形局域化过程及产生的破坏模式,理想载荷作用下,首先在柱壳中间产生剪切变形局域化带(绝热剪切带),裂纹沿剪切带发展,形成45°或135°发展的剪切带破坏模式。载荷峰值越低,得到的剪切带间距越大;载荷脉宽越宽,柱壳中间沿环向破坏情况越严重,剪切带间距也越小。(3)非均匀柱面波加载圆管,将在圆管内壁引起扰动。圆管变形响应受非均匀性影响。非均匀性越强,绝热剪切失稳点将在圆管内壁越早发生。扰动频率有两个临界值,在低于某频率时,扰动载荷对柱壳响应影响可忽略,在高于某一频率时,圆管绝热剪切失稳点将急剧减少;在两个频率中间,绝热剪切失稳点受扰动的频率控制。(4)柱面波发生斜入射,失稳点首先发生在柱面波与圆管内壁法线夹角最大处,由于周围的应力状态,迫使该处出现的裂纹具有方向性,进而影响周围裂纹出现的方向,在正入射的两个端点,裂纹方向具有随机性。(5)几何缺陷使圆管破坏提前,裂纹起始受几何缺陷控制,缺陷越多,裂纹条数越多。


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