薄壁金属圆柱管的冲击膨胀断裂行为研究.pdf

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1、万方数据TheexpandingfracturebehaviorofcylindershellontheimpactloadingADissertationSubmittedtoChinaAcademyofEngineeringPhysicsforMaster’SDegreeAuthor：YeXiangpingSupervisors：LiYinglei(AssociateProfessor)ChinaAcademyofEngineeringPhysicsMianyang，Sichuan2012．5．31万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文

2、是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除厂文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国1：程物理研究院或其他教育机构的学位或训：书使用过的材料。与我一一同1．作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：叶碧＼平签字目期：z秒Jz年钼弓J日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解并接受中国工程物理研究院研究生部有关保存、使用学位论文的规定，允许论文被查阅、借阅和送交国家有关部门或机构，同时授权中国工程物理研究院研究生部可以将学位

3、论文全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。学位论文作者签名：叶翅平签字日期：劲ft年妇弓旧导师签名：席事编签字日期：知，饵f月；f同万方数据薄壁金属圆柱管的冲击膨胀断裂行为研究摘要薄壁金属网柱管在内部冲击加载下发牛膨胀断裂应用十分广泛。本文首先从薄壁金属圆柱管(环)膨胀断裂的断裂规律、断裂准则、本构关系以及实验技术手段四个方面回顾和总结了薄壁金属圆柱管在内部冲击载荷下发生膨胀断裂的研究现状。针对薄壁金属圆柱管膨胀断裂研究缺乏冻结同收手段、难以分析断裂过程的现状，以45钢材料为例，通过数值模拟和具

4、体实验研究建立了基于SHPB实验装置的实验技术。该实验技术可在102s～～104S一应变率范围内，研究薄壁金属圆柱管的动态膨胀断裂，能实时监测圆柱管凸起变形处从膨胀变形直至发生断裂的整个过程中的径向应变、内压载荷、环向拉伸应力，并能准确判断圆柱管的断裂时刻，以及径向断裂应变、鹿变率和环向拉伸断裂应力。通过控制实验载荷脉宽，可进行冻结回收实验，观察圆柱管膨胀变形过程中裂纹萌生、扩展的整个过程，系统研究薄壁金属圆柱管在冲击载荷下的膨胀断裂机理，为后续薄壁金属圆柱管膨胀断裂准则的研究提供更充分的理论基础，为工程应用提供指导。在基于SHPB实验装置的实

5、验技术上，研究了fl

6、i种壁厚(内、外径分别为7nmd8mm和7ram／7，5mm)45钢薄壁圆柱管在不同加载应变率下的膨胀断裂行为，得到了其膨胀断裂特性。首先，在本次实验加载应变率(102s～～10”S1)范围内，45钢薄壁圆柱管无论壁厚减少还是载荷强度提高，都会导致瞬柱管断裂时间缩短，圆柠管断裂应变增加。其次，45钢薄壁圆柱管在实验加载应变率范围内，裂纹始终起始于外壁面，并且随着加载应变率的提高，裂纹萌生形式由拉伸型逐渐向剪切型转变，对圆柱管的数值模拟应力状态分析结果印证了这一实验现象的合理性。在实验加载应变率范围内，剪切裂纹在外壁面萌生后

7、会一直沿剪切方向向内壁面扩展，拉伸裂纹在沿径向扩展～段距离后，转而沿剪切方向扩展。再次，45钢薄壁圆柱管在实验加载应变率范围内，随着加载应变率提高，圆柱管断裂模式会从拉剪混合型转变为纯剪切型，这种由拉剪混合向纯剪断裂模式过渡的临界加载应变率为1．8x103S。(圆柱管外径7，5n]_trl)、1．5x103SJ(圆柱管外径8mm)。最后，45钢薄壁圆柱管在加载应变率提高到一定程度后，会出现多裂纹、多断口现象。外径7．5mm圆柱管出现多条裂纹的临界加载应变率为2．4x103s～，外径8rmn圆柱管出现多条裂纹的临界加载应变率为1．6x103S～。

8、实验中观察到分层槽这一新的实验现象：圆柱管实验断面存在沿轴向的平行槽，将断面沿径向分为很多层。分层槽具有以下特征：首先，分层槽在断面上对称分布，是一种拉伸应力作用的结果。分层槽是裂纹在扩展过程中减缓扩展速度(甚至停止)时，卸载波对生成断面部分进行卸载，使其发生环向弹性收缩，而这种环向收缩并不均匀(外壁面部分断面环向收缩较裂尖部分严重)，这种非均匀性弹性收缩引发的残余应力场将使径向裂纹裂尖发生环向分又，但由于残余应力场的分布特点，并不会使剪切裂纹裂尖分叉。由于卸载残余应力强度并不高，所以分层槽深度(裂尖分叉裂纹深度)并不深，l万方数据薄壁金属圆柱

9、管的冲击膨胀断裂行为研究只有5um左右，而这种浅的分层槽也可能引起裂纹扩展方向的改变(平移到原始路径平行的扩展面上)。其次，同种尺寸圆柱管，断面分层槽