落锤加载下反应材料的反应性能(2)
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【摘要】2.2落锤加载反应性能分析 反应材料无约束情况下落锤加载发生反应,随着高度降低,材料由反应向未反应过渡。落锤从1.00m高度下落,试样发生反应,从高
2.2落锤加载反应性能分析
反应材料无约束情况下落锤加载发生反应,随着高度降低,材料由反应向未反应过渡。落锤从1.00m高度下落,试样发生反应,从高速摄影照片看到有较明显的火光产生,在实验时可以听到较明显的爆炸声响和回收的试样有烧焦的迹象。
高速摄影记录的落锤从1.00m高度下落时反应材料在不同时刻的照片如图3所示,相机幅频为fps,分辨率为256×384pixel。从图3可以看出,加载过程中,材料被压缩破坏向外喷射,在1000μs时,可以看到有反应的火光点产生,同时有较为猛烈的声响。在1100μs时,可以看到反应后有烟雾产生,从回收的试样可以看到,试样有烧焦熔化的现象。
图31.00m落高下落锤加载材料的高速摄影照片Fig.3 The high-speed photography pictures of drop weight loading material from 1.00m drop height
将高速摄影照片和发生反应的应力—时间曲线(图2)进行对比发现,材料在1000μs时发生了反应,从图2可以看出,此时对应的应力为281MPa,则可以得到反应材料在无约束情况下使用10kg落锤加载发生反应的临界应力为281MPa。
2.3落锤加载反应材料点火能量分析
反应材料在撞击加载过程中,经历了较大的塑性变形、压碎喷射等过程,最后发生反应。加载过程中,落锤下落的重力势能转化为落锤的动能,过程示意图如图4所示,落锤撞击试样速度为v1,反弹速度为v2,在此过程中动能损失为ΔE,研究表明,一部分损失的动能转化为试样的塑性变形能ΔE1,引起材料产生一定的温升,当材料温升达到一定程度时,材料会发生反应;另外一部分损失的动能ΔE2被落锤系统的底座吸收。
图4落锤加载过程示意图Fig.4 Schematic diagram of drop-weight loading process
落锤加载中动能的损失ΔE为:
式中:m为落锤质量,本实验所用落锤的质量为10kg。
单位质量试样吸收的能量为:
式中:m1为试样材料的质量。
对于加载过程中,平台底座吸收的能量通过落锤直接撞击底座平台得到,在未加试样的情况下,通过高速摄影拍摄落锤撞击过程,DIC处理撞击平台的速度和反弹的速度见表2。由5个不同高度下落的落锤撞击和反弹速度,计算得到直接撞击引起的平均动能损失为47.2J。
表2落锤撞击底座平台速度变化Table 2 The speed changes of drop-weight impact /mv1/(m·s-1)v2/(m·s-1).903.822..953.932.. 注:h为落锤下落高度;v1为落锤撞击速度;v2为落锤反弹速度。
通过直接撞击研究底座平台吸收的能量ΔE2为47.2J,在整个加载过程中的总能量损失ΔE可以由表1的动能损失得到,所以在整个加载过程中,试样被压缩直至发生反应所吸收的能量ΔE1为总的动能损失和底座平台吸收的能量差值,见表3。
表3落锤加载过程中能量的变化Table 3 Changes in energy during drop-weight /mΔE /JΔE1/(J·g-1) 注:h为落锤下落高度;ΔE为动能损失;ΔE1为试样单位质量吸收能量。
由表3可见,试样吸收的能量随着落锤下落高度的增加而增大。
落锤加载过程中发生反应和未发生反应材料的单位质量试样吸收的能量图如图5所示,横轴为落锤加载单位质量试样吸收的能量,纵轴为0时代表试样未发生反应,为1时代表试样发生反应。
从图5可知,试样发生反应的临界输入能量在虚线框内,取虚线框内发生反应和未发生反应的平均吸收能量值约为40.9J/g。因此可以认为,试样在落锤直接撞击加载发生反应的临界能量为40.9J/g。
图5落锤加载材料发生反应的能量Fig.5 The energy of occurring material reaction under drop-weight loading
3数值模拟结果分析
3.1有限元模型的建立
本研究主要使用Hypermesh建模软件建立落锤和反应材料的全模型,见图6。
图6落锤整体视图及试样和空气网格局部放大图Fig.6 Overall view of drop-weight and enlargement view of sample and air grid
如图6(a)所示,落锤质量为10kg,试样大小为Φ8mm×3mm,模型使用实际尺寸大小,为了减少计算量,落锤和底座网格使用过渡网格,离试样越近,网格越密,离试样越远,网格越少。试样和空气网格的局部放大图如图6(b)所示,试样采用均匀网格,网格大小为0.5mm,计算使用流固耦合算法。
在计算时,试样使用Johnson-Cook材料本构模型,具体的材料参数如表4所示[18]。计算时,在落锤上加载一个初速度,加载过程中,试样发生较大的变形,落锤速度随着加载的进行不断减小,当压缩到一定程度时,落锤发生反弹。
文章来源:《固体力学学报》 网址: http://www.gtlxxbzz.cn/qikandaodu/2020/1224/381.html
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