魏剛 馮巖

摘 要：Taylor桿撞擊實(shí)驗(yàn)指的是平頭金屬桿彈正撞擊光滑的剛性板，其最初目的用來獲取材料動(dòng)態(tài)性能參數(shù)或者進(jìn)行材料動(dòng)態(tài)本構(gòu)方程的驗(yàn)證。將Taylor桿撞擊速度進(jìn)一步提高，可以使圓柱彈體發(fā)生開裂、開花甚至破碎失效，為研究沖擊載荷下材料的斷裂失效行為的提供了一個(gè)較好的手段。本文在已有1100鋁合金Taylor桿撞擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合材料性能測(cè)試，開展了對(duì)應(yīng)的ABAQUS/EXPLICT數(shù)值模擬研究，獲得了與撞擊實(shí)驗(yàn)一致的變形和斷裂模式，且各變形與斷裂模式的速度范圍和實(shí)驗(yàn)也非常吻合。在此基礎(chǔ)上，提取數(shù)值模擬中失效單元的關(guān)鍵信息，揭示了1100鋁合金Taylor桿撞擊失效機(jī)理。

關(guān)鍵詞：1100鋁合金;Taylor桿撞擊;數(shù)值模擬;變形與斷裂模式;失效機(jī)理

1 概述

1100鋁合金指含鋁量99.0%的普通工業(yè)純鋁，不可熱處理強(qiáng)化，強(qiáng)度較低，但延展性非常好。前期為了研究高延性材料在沖擊載荷下的變形與斷裂特性，在輕氣泡上開展了1100鋁合金Taylor桿撞擊實(shí)驗(yàn)[1，2]，彈體名義尺寸Φ12.6mm×50.4mm，名義質(zhì)量17 g。典型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1中，其中mi，Li和Di分別為彈體的初始質(zhì)量，初始長度和直徑;V0為彈體初始撞擊速度;Lf和Df為彈體剩余長度和頭部直徑，Lunc為彈體未變形長度，Npetals為發(fā)生花瓣斷裂的彈體花瓣數(shù)目，彈體初始及Taylor撞擊變形后的尺寸測(cè)量方式如圖1所示[1，2]?；厥盏綇楏w的典型變形與斷裂模式參見圖2[1，2]。在前期實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合材料性能測(cè)試，利用ABAQUS/EXPLICT開展與試驗(yàn)工況對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬研究，在驗(yàn)證有效性的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬對(duì)1100鋁合金Taylor桿的斷裂機(jī)理進(jìn)行分析。

為了集中關(guān)注彈體變形和斷裂，靶板均采用彈性鋼靶，即彈性模量取為200GPa，且不考慮彈靶之間的接觸摩擦。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果及有效性驗(yàn)證

與實(shí)驗(yàn)工況相對(duì)應(yīng)，開展了一系列1100鋁合金Taylor撞擊數(shù)值模擬計(jì)算，典型的仿真結(jié)果列于圖4中。將圖4和表1及圖2對(duì)比，可以看出數(shù)值計(jì)算獲得的斷裂模式與試驗(yàn)非常接近，在低速時(shí)鐓粗變形，速度240.4 m/s時(shí)發(fā)生臨界開裂，速度進(jìn)一步升高，彈體發(fā)生拉伸撕裂/花瓣，而在最高速度段，彈體發(fā)生向日葵型花瓣開裂。從彈體剩余長度和彈頭直徑數(shù)據(jù)來看，數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都比較接近，這說明本文所使用的計(jì)算模型及對(duì)應(yīng)的模型參數(shù)可以成功地預(yù)測(cè)1100鋁合金Taylor桿的變形與斷裂行為。需要說明的是速度為574.8m/s時(shí)，數(shù)值模擬獲得的斷裂破壞程度比實(shí)驗(yàn)結(jié)果稍嚴(yán)重，實(shí)驗(yàn)中僅有個(gè)別花瓣發(fā)生了脫落，而在數(shù)值模擬中大多數(shù)花瓣發(fā)生了斷裂。初步分析認(rèn)為，造成這個(gè)差別的原因是數(shù)值計(jì)算過程中的網(wǎng)格刪除引起的。盡管如此，考慮到動(dòng)態(tài)非線性大變形斷裂行為的成功預(yù)測(cè)非常困難，本文仿真結(jié)果對(duì)實(shí)驗(yàn)的還原程度還是比較好的。

3.2 Taylor桿斷裂過程及機(jī)理研究

圖5給出了S-9彈體（速度521m/s）在仿真過程中的斷裂過程，可以看出，彈體開花非常明顯，為典型的向日葵型花瓣開裂，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。彈體頭部邊緣在彈靶接觸后很快出現(xiàn)了開裂，并且裂紋基本沿著軸線方向擴(kuò)展。隨著彈體速度下降，一部分裂紋不再擴(kuò)展，而另一部分裂紋繼續(xù)沿軸線擴(kuò)展，當(dāng)彈體速度降為零并開始反彈時(shí)，裂紋擴(kuò)展過程才結(jié)束。從圖5可以看出，115.5μs以后，花瓣中有一部分發(fā)生了“脫落”或中間斷裂，這和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不是太一致。但1100鋁合金Taylor桿的花瓣“脫落”與45鋼[2，6]和6061鋁合金[1，2]彈體的花瓣脫落情形是不相同的，此處的花瓣“脫落”是由于在裂紋擴(kuò)展過程中單元?jiǎng)h除過多引起的，而不是斜裂紋匯聚造成的。

圖6展示了兩個(gè)典型單元應(yīng)力三軸度和損傷歷程（速度521 m/s時(shí)）以及對(duì)應(yīng)的單元位置。可以看出，損傷累積的主要階段，兩個(gè)單元的應(yīng)力三軸度值都在1/3以上，說明彈體開裂和裂紋擴(kuò)展主要是由于拉伸應(yīng)力狀態(tài)的作用，其他應(yīng)力狀態(tài)（例如，單元2初始階段負(fù)的應(yīng)力三軸度并沒有造成損傷參量的累計(jì)）影響非常小。

4 結(jié)論

結(jié)合材料性能測(cè)試結(jié)果，利用數(shù)值模擬開展了1100鋁合金Taylor桿撞擊實(shí)驗(yàn)變形和斷裂行為的數(shù)值模擬研究。計(jì)算得到的彈體變形與斷裂模式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，證明了數(shù)值計(jì)算是有效性。與此同時(shí)，提取計(jì)算過程中失效單元的應(yīng)力三軸度歷程數(shù)據(jù)與損傷參量歷程數(shù)據(jù)，對(duì)1100彈體的斷裂機(jī)理進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，1100鋁合金在Taylor桿撞擊中主要發(fā)生拉伸撕裂破壞，說明其在高應(yīng)變率下延性依然非常好。

參考文獻(xiàn)：

[1]G Wei，W Zhang，W Huang，et al.Effect of strength and ductility on deformation and fracture of three kinds of aluminum alloys during Taylor tests.International Journal of Impact Engineering，2014，73：75-90.

[2]魏剛.金屬動(dòng)能彈變形與斷裂特性及其機(jī)理研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

[3]GR Johnson，WH Cook.A Constitutive Model and Data for Metals Subjected to Large Strains，High Strain Rates and High Temperatures.Proceedings of the seventh international symposium on ballistics，Hague，Netherlands.1983：541-547.

[4]MG Cockroft，DJ Latham.Ductility and the Workability of Metals.Journal of the Institute of Metals.1968，96：33-39.

[5]DJ Steinberg.Equation of State and Strength Properties of Selected Materials.Lawrence Livermore National Laboratory.1991.

[6]魏剛，張偉，鄧云飛.基于J-C模型的45鋼本構(gòu)參數(shù)識(shí)別及驗(yàn)證.振動(dòng)與沖擊，2019，38（05）：181-186.

項(xiàng)目：本文受中國民航大學(xué)科研啟動(dòng)基金基金項(xiàng)目（2015QD01S）資助

作者簡介：魏剛（1987—），男，博士，講師，研究方向：沖擊動(dòng)力學(xué)與材料力學(xué)性能測(cè)試。