含氦泡金属铝层裂响应的数值分析

作者:张凤国;胡晓棉;王裴;邵建立;周洪强;冯其京; 刊名:爆炸与冲击 上传者:李云

【摘要】因自辐照效应的影响,一些材料内部会产生大量的氦泡,关注这些氦泡对材料力学性能的影响是目前损伤破坏研究中的重要问题之一。结合相关文献的实验结果,采用耦合材料初始损伤、孔洞尺寸及惯性影响的损伤模型,对该问题进行了数值分析。结果显示:氦泡的内压及材料变形中温度的变化对损伤发展的影响很小;材料的初始损伤越大,材料内部应力减小得越快,损伤增长得越慢;因惯性的影响,初始氦泡越大,损伤增长相对较慢。因此,分析含氦泡材料的层裂损伤问题需要重点关注材料初始氦泡大小、初始损伤以及损伤演化过程中惯性的影响。

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 第37卷 第4期 爆 炸 与 冲 击 Vol.37,No.4   2017年7月 EXPLOSION AND SHOCK WAVES  Jul. ,2017  DOI:10.11883/1001-1455(2017)04-0699-06 含氦泡金属铝层裂响应的数值分析* 张凤国1,胡晓棉1, 2,王 裴1, 2,邵建立1,周洪强1,冯其京1 ( 1.北京应用物理与计算数学研究所,北京100094; 2.北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室,北京100088)   摘要:因自辐照效应的影响,一些材料内部会产生大量的氦泡,关注这些氦泡对材料力学性能的影响是 目前损伤破坏研究中的重要问题之一。结合相关文献的实验结果,采用耦合材料初始损伤、孔洞尺寸及惯性影响的损伤模型,对该问题进行了数值分析。结果显示:氦泡的内压及材料变形中温度的变化对损伤发展的影响很小;材料的初始损伤越大,材料内部应力减小得越快,损伤增长得越慢;因惯性的影响,初始氦泡越大,损伤增长相对较慢。因此,分析含氦泡材料的层裂损伤问题需要重点关注材料初始氦泡大小、初始损伤以及损伤演化过程中惯性的影响。   关键词:氦泡;层裂响应;铝;数值分析   中图分类号:O346.1   国标学科代码:1301545    文献标志码:A   现有的研究表明,材料的微细观结构及其演化与其层裂损伤发展过程具有很强的关联性[ 1-4]。在长时间辐照条件下,一些特殊金属材料的微结构发生很大变化,材料内部将产生纳米级氦泡,大量微缺陷 (氦泡)的存在将对材料的静态和动态力学性能产生很大的影响[ 5-7]。因具有很强的应用背景,强动载下含氦泡金属材料的损伤破坏问题得到了持续的关注。B.N.Singh等[ 8]简述了氦泡的产生机理及其对材 料力学性能的影 响;A.Kubota等[ 9]数值分析了初始微缺陷分布及氦泡对材料动态强度的影响; B.Glam 等[10-11]采用简单的唯象层裂损伤模型模拟了自由面速度演化过程,结果显示在分析氦泡损伤情况时唯象模型具有一定的适用性,同时他们还对不同强度加载下含氦泡铝材料的层裂损伤情况进行了分析,对比辐照前含硼铝的实验结果,发现在常规条件下氦泡使材料的层裂强度提高,而在高温预加热后,层裂强度反而降低。目前,含氦泡材料的损伤破坏研究仍以实验为主,辅助以微细观数值分析和简单的唯象分析,对于其损伤机理和影响因素尚缺乏较全面、系统的研究。因材料内部存在大量初始氦泡,这些微缺陷可能对孔洞的成核起到抑制作用[12-13],此时孔洞成核的影响减弱。   本文中在忽略初始氦泡分布特性影响和新增孔洞成核过程的前提下,通过对耦合材料初始损伤、初始孔洞尺寸以及微惯性影响的层裂损伤模型[14]进行相应的改进,在模拟已有实验结果[10]的基础上,深入分析材料初始缺陷特征、氦泡内压、材料变形过程中的温度及惯性对含氦泡金属铝损伤演化过程的影响。 1 含氦泡材料层裂损伤演化的物理描述   在前期的工作中,我们已经给出了耦合材料初始损伤、初始孔洞尺寸以及微惯性影响的层裂损伤模型[14-16]。对于含氦泡材料的层裂损伤问题,该模型可以改进为: τQ ( ¨ α ,  α , α )= α ( p + p g)- 23 Y 0ln α α -1( )- 2 3 η  α [( α -1)-1/3( α 0 -1)-2/3 - α -1/3 α -2/3 0 ] ( 1) Q ( ¨ α ,  α , α )= ¨ α [( α -1)-1/3 - α -1/3]-  α 26 [( α -1)-4/3

参考文献

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