SHPB实验加载方式对PBX炸药力学响应的影响研究(3)
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【摘要】图7 SHPB 实验后某PBX 炸药回收试样损伤观测Fig.7 Damage observation of a recovered specimen after the SHPB experiment 根据前面的实验测试及观测结果,可以将该PBX炸药单轴
图7 SHPB 实验后某PBX 炸药回收试样损伤观测Fig.7 Damage observation of a recovered specimen after the SHPB experiment
根据前面的实验测试及观测结果,可以将该PBX炸药单轴压缩应力应变响应分为三个阶段:线弹性、非线性强化和应变软化阶段。结合细观损伤分析结果,可以推测PBX 炸药受压的细观损伤发展过程。受压后材料内部粘结剂通过自己的大变形来抵御外界载荷,而后晶体开始发生弹性变形;此时材料内部没有损伤演化,晶体和粘结剂以及初始的微裂纹都只发生弹性变形,没有发生微裂纹的扩展,应力应变曲线表现为线弹性。当到达晶体甚至粘结剂的弹性变形极限后,晶体开始发生不可恢复的扭曲变形,粘结剂已被极度压扁,或者填充缝隙,甚至可能被挤压断裂;此时材料内部越来越多的沿晶微裂纹产生,可视为内部发生连续分布的损伤,随着应力的增大,越来越多的微裂纹产生并稳定的扩展,但受到更高强度的能障束缚停止扩展,随着微裂纹扩展区的不断增大,微裂纹对材料有效柔度张量的贡献也随之增大,于是应力应变曲线表现为非线性的应变强化。最后随着外载荷的持续增加,某些取向上的沿晶微裂纹穿越晶界障碍,晶体断裂所释放的能量使得裂纹能继续在材料中扩展,导致穿晶断裂大量出现,最终导致试样的宏观破坏,表现为应力应变曲线中的应变软化阶段。
由此,可考虑采用微裂纹扩展区(DMG)损伤本构模型来描述单轴压缩加载下的损伤发展演化过程[15]。该模型假设初始裂纹服从一定的随机分布,描述在外界加载作用下材料内部微裂纹扩展对应力应变响应的影响。该模型的表述形式为
式中,为基质的柔度张量,这里应该理解为晶体和粘结剂的共同贡献。后四项皆为微裂纹在不同状态下对柔度张量的贡献。为所有张开微裂纹引起的非弹性柔度张量,为发生摩擦滑移但尚未扩展的微裂纹对柔度张量的贡献,为发生Ⅱ型自相似扩展的闭合裂纹对柔度张量的贡献,是所有发生弯折扩展的微裂纹对柔度张量的贡献。它们的数值对应于单个相应类型裂纹对有效柔度张量的贡献在相应的作用区域内的积分,具体的表达式可参看文献[15],因而主要的工作需要分析和计算在特定的加载条件下,各部分贡献的计算表达式及相应的积分区域。将该模型用于描述单轴压缩响应时,需要对软化部分做一些特别的修正分析,可引入导致试样发生突发大变形且应力卸载的机制,比如,晶体的宏观断裂。除此之外,还需计及惯性效应和材料的率相关特性,将各应力强度因子视为与裂纹扩展速度相关的动态形式,加载应变率的高低体现为裂纹扩展的快慢。后期将开展大量的测试工作,确定细观断裂相关的参数,建立能较好描述PBX炸药力学响应的本构模型。
5 结论
针对PBX 炸药这类形变小,强度低的准脆性材料,研究其在SHPB 实验加载中的细节设计问题,包括不同加载方式对其损伤发展的影响,并回收观测单次受载后破坏试样的损伤情况,并对PBX 炸药在单轴压缩下的损伤发展过程进行了推测性的总结描述。具体结论如下:
(1)黄铜整形器可以较好地控制加载应变率,但对实验所用PBX 炸药来说,采用黄铜整形器时应变加速度仍旧偏大,会对试样造成额外的损伤;
(2)试样重复受载后其应力应变响应是否会发生变化,取决于前次加载是否使其产生了不可恢复的微损伤,改变加载脉宽可以有效拓展PBX 炸药的实验应变率范围;
(3)受单轴压缩后试样内部晶体因挤压而发生严重的扭曲变形,单个晶体经历多次穿晶断裂甚至碎裂;
(4)PBX 炸药的应力应变响应可分为线弹性、应变强化和应变软化三个阶段,研究其损伤本构关系时可从微裂纹的产生、稳定扩展,最后穿越晶界失稳扩展来描述。
在下一步工作中,将研究PBX 炸药细观断裂力学性能参数,结合断裂力学通过描述裂纹的扩展对本构关系中的柔度张量的影响,建立能反映其微观损伤发展的本构模型。
[1]成丽蓉,施惠基.PBX 炸药含裂纹扩展损伤的粘塑性本构关系[J].含能材料,2015,23(10): Li-rong,SHI constitutive coupled micro-cracks propagation damage of PBX[J].Chinese Journal of Energetic Materials(Hanneng Cailiao),2015,23(10):999-1003.
[2]唐明峰,蓝林钢,李明,等.以RDX 为基的浇注PBX 力学性能与本构关系[J].含能材料,2014,22(2): Ming-feng,LAN Lin-gang,LI Ming,et properties and constitutive models of RDX based cast PBX[J].Chinese Journal of Energetic Materials(Hanneng Cailiao),2014,22(2):215-220.
文章来源:《固体力学学报》 网址: http://www.gtlxxbzz.cn/qikandaodu/2020/1109/341.html