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碩士學(xué)位論文激波管沖擊載荷作用下預(yù)制孔鋁板的響應(yīng)特性研究THESTUDYOFRESPONSEOFALUMINUMPLATESWITHPRE-FORMEDHOLESUNDERSHOCKWAVEGENERATEDBYSHOCKTUBE何起光哈爾濱工業(yè)大學(xué)2018年6月 國(guó)內(nèi)圖書分類號(hào)：O383+.1學(xué)校代碼：10213國(guó)際圖書分類號(hào)：531密級(jí)：公開工學(xué)碩士學(xué)位論文激波管沖擊載荷作用下預(yù)制孔鋁板的響應(yīng)特性研究碩士研究生：何起光導(dǎo)師：張偉教授申請(qǐng)學(xué)位：工學(xué)碩士學(xué)科：航空宇航科學(xué)與技術(shù)所在單位：航天學(xué)院答辯日期：2018年6月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué) ClassifiedIndex:O383+.1U.D.C:531DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringTHESTUDYOFRESPONSEOFALUMINUMPLATESWITHPRE-FORMEDHOLESUNDERSHOCKWAVEGENERATEDBYSHOCKTUBECandidate：HeQiguangSupervisor：Prof.ZhangWeiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofScienceinEngineeringSpeciality：AeronauticalandAstronauticalScienceandTechnologyAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnologyI 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文摘要本文研究了聚酯薄膜作為激波管膜片的變形及破壞過(guò)程，并分析了受沖擊載荷作用的預(yù)制孔鋁板的變形規(guī)律。通過(guò)對(duì)作為激波管膜片的聚酯薄膜的靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)，獲得了型號(hào)為BE12的聚酯薄膜在橫縱兩個(gè)方向上的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。使用聚酯薄膜作為激波管膜片，通過(guò)施加不同壓力的激波管實(shí)驗(yàn)，獲得了膜片厚度及多張膜片的組合方式對(duì)膜片所能承受最大壓力的影響。利用高速相機(jī)對(duì)激波管膜片從開始變形到破壞的全過(guò)程進(jìn)行拍攝，使用三維DIC軟件獲得膜片在變形過(guò)程中的位移場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了膜片會(huì)出現(xiàn)圓弧反翹并快速破壞的特別現(xiàn)象，并以此為特征將變形過(guò)程分為兩個(gè)階段。給出任意厚度膜片第一階段圓弧變形的數(shù)學(xué)規(guī)律及圓弧反翹第二階段的形狀特征，以及全過(guò)程中膜片厚度變化的數(shù)學(xué)規(guī)律。使用高速攝像機(jī)拍攝膜片的破壞過(guò)程，獲得膜片的破膜時(shí)間及其開口面積的變化規(guī)律，為對(duì)形成的激波的強(qiáng)度和速度的理論計(jì)算提供了參考。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的激波管進(jìn)行標(biāo)定，獲得了該激波管在給定高壓氣室壓力下所能產(chǎn)生的沖擊波的強(qiáng)度和速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，使用激波管對(duì)分別預(yù)制了菱形，圓形和方形三種不同孔型的鋁板和對(duì)應(yīng)的完整鋁板進(jìn)行加載，使用兩臺(tái)高速攝像機(jī)對(duì)靶件的變形過(guò)程進(jìn)行記錄，并使用三維DIC進(jìn)行后續(xù)分析，獲得了靶件在變形過(guò)程中的位移場(chǎng)。結(jié)合激波管的標(biāo)定參數(shù)，獲得了作用于靶件上的沖擊波的壓力—時(shí)間信號(hào)。使用ABAQUS仿真軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分別采用了流固耦合模型和解耦模型進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，并得到了解耦模型在精度上略差于流固耦合模型，但在時(shí)間上解耦模型比流固耦合模型顯著減少的結(jié)論。在使用DIC技術(shù)獲得靶件的位移場(chǎng)后，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，選取了靶件上具有代表性的兩條截面曲線和三個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行分析，給出了靶件在受到?jīng)_擊載荷作用下的變形規(guī)律。對(duì)比不同孔型的靶件的臨界沖擊波壓力，分析了預(yù)制孔的孔型對(duì)于靶件承載能力的影響。關(guān)鍵詞：激波管；聚酯薄膜；預(yù)制孔鋁板；三維DIC；沖擊載荷I 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文AbstractThedeformationandfailureprocessofMylarasdiaphragmsinshocktubeanddeformationregularofaluminumplateswithper-formedunderair-blastloadingarestudiedinthisarticle.Quasi-statictensilemechanicalpropertiesofMylarintwodifferentdirectionweregivenbyquasi-statictensileexperiment.Inordertoinvestigatetheeffectofdiaphragmsthicknessandcombinationsonthemaximumbearingpressure,theshocktubeexperimentwasconductedonthePETdiaphragmswithdifferentthicknesses.Twohigh-speedcameraswereusedtocaptureandrecordtheentiredeformationprocessofthePETdiaphragms.Diaphragmsdisplacementfieldofdifferentmomentwereobtainedby3D-DIC.Aspecialinterestingphenomenoni.e.,thediaphragmswasrecurvedandthendramaticallyruptured,wasobservedandthusthediaphragmdefamationcanbedividedintotwostages.Thediaphragmsdeformationofanythicknessinfirststage,andtheshapecharacteristicofthediaphragmrecurvationinsecondstageaswellasthethicknessvariationduringthewholeprocesswereanalyzed.Theopeningtimeandareaofdiaphragmincludedinfailureprocedureofdiaphragmweregivenandcouldbeusedintheoryresearch.Inordertogettherelationshipbetweenairpressureinhighersectioninshocktubeandspeedandpressureofshockwave,shocktubeinthelaboratorywascalibrated.Aluminumplateswithdifferentpre-formedholesincludediamond,circleandsquarewereunderair-blastloadingwhichgeneratedbyshocktube.Theprocessofdeformationofplateswererecordedbytwohighspeedcamerasandanalyzedby3D-DIClater.Theloadinganddeformationweresynchronizedby3D-DICresultandcalibrationofshocktube.Togetmoreinformationinthisprocess,ABAQUSwereusedtosimulatethisexperimentwithtwodifferentmethods:CoupledEulerLagrangemethodandun-coupledmethod.Theconclusionofun-coupledmethodneedsignificantlylesstimethanCELmethodandtheaccuracyofthetwomethodsisapproximatelyequalwereproposed.Thedeformationregularofaluminumplateswithpre-formedholesweregivenbyresearchtwodifferentdeformationcurvesandmajorfocuspointsinsimulationandDICresult.Theeffectofshapeofpre-formedholeonaluminumbearingpressurewereanalyzedbycomparingthefailureloadingofaluminumplateswiththreedifferentpre-formedholes.Keywords：shocktube,PET,perforatedaluminumplates,3D-DIC,shockwaveII 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文目錄摘要..................................................................................................................................................IAbstract...............................................................................................................................................II第1章緒論......................................................................................................................................11.1研究背景和意義................................................................................................................11.2空氣激波管技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀................................................................................................21.3預(yù)制孔靶板在沖擊載荷作用下的研究現(xiàn)狀..................................................................31.4本文主要研究?jī)?nèi)容............................................................................................................41.4.1聚酯薄膜膜片在破膜過(guò)程中的變形過(guò)程..........................................................41.4.2激波管沖擊載荷加載預(yù)制孔靶板.......................................................................51.4.3預(yù)制孔靶板受沖擊載荷作用的數(shù)值模擬及分析.............................................5第2章實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原理.................................................................................................................62.1引言.....................................................................................................................................62.2激波管工作原理................................................................................................................62.3三維DIC技術(shù)原理...........................................................................................................82.4實(shí)驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)及參數(shù)...................................................................................................92.5激波管標(biāo)定......................................................................................................................102.6本章小結(jié)...........................................................................................................................12第3章激波管膜片變形過(guò)程分析..............................................................................................133.1引言...................................................................................................................................133.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備...........................................................................................................................133.3膜片破壞壓力與其厚度的關(guān)系....................................................................................143.4膜片變形規(guī)律..................................................................................................................163.5膜片變形規(guī)律的數(shù)學(xué)模型.............................................................................................203.6膜片破壞過(guò)程..................................................................................................................223.7本章小結(jié)...........................................................................................................................23第4章激波管沖擊載荷作用下預(yù)制孔鋁板變形的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果..........................254.1引言...................................................................................................................................254.2實(shí)驗(yàn)材料參數(shù)..................................................................................................................254.3數(shù)值模擬模型..................................................................................................................264.3.1兩種數(shù)值模擬模型的建模參數(shù).........................................................................264.3.2兩種數(shù)值模擬模型結(jié)果對(duì)比.............................................................................29III 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文4.4實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比.............................................................................................304.4.1靶件所受的沖擊載荷..........................................................................................304.4.2預(yù)制孔鋁板的實(shí)驗(yàn)結(jié)果......................................................................................334.5本章小結(jié)...........................................................................................................................36第5章預(yù)制孔鋁板受沖擊載荷作用下的變形規(guī)律分析........................................................375.1引言...................................................................................................................................375.2靶件截面曲線的變化規(guī)律.............................................................................................375.2.1靶件截面曲線的選取..........................................................................................375.2.2靶件截面曲線的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析...........................................385.2.3截面曲線間對(duì)比分析..........................................................................................405.2.4截面曲線上的Mises等效應(yīng)力分布.................................................................425.3靶件特征點(diǎn)的變化規(guī)律.................................................................................................445.3.1靶件特征點(diǎn)的選取..............................................................................................445.3.2靶件在特征點(diǎn)處的位移規(guī)律.............................................................................445.3.3靶件在特征點(diǎn)處的Mises等效應(yīng)力.................................................................465.4靶件的失效模式..............................................................................................................485.5本章小結(jié)...........................................................................................................................52結(jié)論...............................................................................................................................................531全文總結(jié)..............................................................................................................................532本文的主要結(jié)論.................................................................................................................533本文的創(chuàng)新之處.................................................................................................................544研究展望..............................................................................................................................54參考文獻(xiàn)..........................................................................................................................................55攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其其他成果...........................................................................60哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和使用權(quán)限..................................................................61致謝...............................................................................................................................................62IV 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論1.1研究背景和意義隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)世界各國(guó)因地球資源分配不均而發(fā)起的戰(zhàn)爭(zhēng)不再是人海肉搏戰(zhàn)，而是高科技、高尖端武器的較量。而在戰(zhàn)爭(zhēng)中，爆炸是一種常見的對(duì)敵方有生目標(biāo)殺傷及對(duì)軍事或者民用目標(biāo)毀壞的一種普遍方式。而且在世界上日益嚴(yán)重的恐怖活動(dòng)中，簡(jiǎn)易爆炸裝置及各種爆炸物的使用十分廣泛。所以，對(duì)爆炸沖擊波的防護(hù)研究具有重要意義。防護(hù)的方式多種多樣，常見的是使用裝甲來(lái)抵抗爆炸的沖擊波。例如裝甲車，依靠裝甲保護(hù)車內(nèi)的成員。所以對(duì)于不同材料的裝甲以及不同結(jié)構(gòu)的裝甲對(duì)于爆炸的抵抗能力及其破壞形式的研究對(duì)于工程來(lái)說(shuō)是有著指導(dǎo)意義的。而在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，大量采用真實(shí)炸藥對(duì)靶件進(jìn)行加載的方式不僅成本巨大，而且對(duì)周圍環(huán)境的影響很大，同時(shí)對(duì)于作用在靶件上的壓力不便于精準(zhǔn)控制。因?yàn)檫h(yuǎn)場(chǎng)爆炸的波陣面的曲率很小，可以近似認(rèn)為沖擊波是一個(gè)一維波。而利用激波管可以輕易地產(chǎn)生一個(gè)一維沖擊波加載靶件。所以采用激波管作為本課題的加載裝置。目前，激波管裝置主要使用聚酯薄膜作為高壓段與低壓段之間的膜片。通過(guò)在高壓段充入高壓氣體，使得聚酯薄膜兩側(cè)的氣壓差超過(guò)聚酯薄膜所能承受的最大壓力，導(dǎo)致聚酯薄膜的快速破壞，整個(gè)破壞過(guò)程一般在0.5ms內(nèi)完成。此時(shí)高壓段內(nèi)的高壓氣體迅速進(jìn)入低壓段中，產(chǎn)生一個(gè)在低壓段內(nèi)傳播的沖擊波。沖擊波波速在幾馬赫至十幾馬赫不等，與高壓段內(nèi)的壓力有關(guān)。沖擊波在傳播一段距離后，會(huì)逐漸形成一個(gè)強(qiáng)間斷面，這就是激波。而膜片在破壞之前的形狀與產(chǎn)生的激波強(qiáng)度，速度及形成激波的位置之間有著緊密聯(lián)系。所以對(duì)膜片的破壞過(guò)程進(jìn)行研究便于更精確有效地使用激波管?？梢詫?duì)激波管實(shí)驗(yàn)設(shè)備是設(shè)計(jì)與生產(chǎn)提供理論的依據(jù)。在真實(shí)的戰(zhàn)斗中，軍事目標(biāo)的裝甲會(huì)受到各種動(dòng)能武器的攻擊，而這些攻擊會(huì)在裝甲上留下孔洞，這會(huì)使得裝甲對(duì)爆炸沖擊波的抵抗能力嚴(yán)重下降。為模擬靶件同時(shí)收到?jīng)_擊波和破片侵徹的作用，對(duì)含預(yù)制孔洞的靶件施加沖擊波載荷是一種可行的方式。所以采用激波管對(duì)有預(yù)制孔洞的單層鋁板進(jìn)行加載，可以獲得有預(yù)制孔洞的鋁板在不同壓力的激波下的失效形式以及所能承受的最大的激波壓力。利用DIC技術(shù)，可以獲得靶板在整個(gè)變形過(guò)程中的各個(gè)時(shí)刻下靶板的變形情況，以此可以清楚地分析破壞的機(jī)理。因此，可以得到在同類裝甲上已經(jīng)有孔洞的情況下所能承受爆炸所產(chǎn)生的沖擊波的能力。1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文對(duì)于軍事裝備的性能的評(píng)價(jià)有著重要的意義。1.2空氣激波管技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀激波管是一種用于產(chǎn)生激波，研究激波和利用激波對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行加載的一種設(shè)備，主要用于研究爆轟物在氣體中的物理和化學(xué)過(guò)程。其主要發(fā)展歷程可分為三個(gè)階段：十九世紀(jì)末期，法國(guó)化學(xué)家Vielle發(fā)明并制作了世界上第一根激波管。在其后的五十年間，激波管的研究主要集中在對(duì)其工作原理和理論模型方面的探索。在這期間，激波管主要應(yīng)用于燃燒，爆炸和非定常波運(yùn)動(dòng)的研究以及對(duì)壓力傳感器的標(biāo)定等[1]。在二十世紀(jì)五十年代初至二十世紀(jì)八十年代末，為了研制導(dǎo)彈和核武器的需要，激波管的研究進(jìn)入了一段高速發(fā)展期。在這一段時(shí)期，激波管主要被用于作為暫沖式風(fēng)洞和研究非定常流動(dòng)。從二十世紀(jì)九十年代至今，激波管的發(fā)展趨于成熟，激波管的研究已成獨(dú)立的領(lǐng)域，其主要理論，設(shè)計(jì)參數(shù)和常規(guī)使用方面的主要技術(shù)難題已研究透徹。目前激波管作為一種較為常用的動(dòng)態(tài)加載實(shí)驗(yàn)設(shè)備，已成為各動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的常用實(shí)驗(yàn)設(shè)備。在這一時(shí)期，激波管應(yīng)用范圍得到了很大的擴(kuò)展，包括在導(dǎo)彈和飛行器的高雷諾數(shù)、高馬赫數(shù)的高超音速空氣動(dòng)力學(xué)，物理和化學(xué)等基礎(chǔ)理論、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、物理氣體動(dòng)力學(xué)、電磁流體力學(xué)、化學(xué)流體力學(xué)、低溫力學(xué)、燃燒和抗爆工程方面均產(chǎn)生了重要作用。同時(shí)在這一時(shí)期，由于軍用武器裝備和民用工程的防護(hù)研究的需要，不少大型激波管被相繼制作出來(lái)[2-4]。綜上，激波管在一百余年的發(fā)展中已趨于成熟。其作為一種模仿爆轟物劇烈變化而產(chǎn)生空氣沖擊波的一種實(shí)驗(yàn)設(shè)備在高速氣體動(dòng)力、氣體物理化學(xué)特性及工程防護(hù)和抗壓抗爆方面具有重要的應(yīng)用。目前，激波管領(lǐng)域的學(xué)術(shù)活動(dòng)在國(guó)際上較為活躍。在國(guó)際上每?jī)赡暾匍_一次的激波管專業(yè)學(xué)術(shù)交流會(huì)上及國(guó)內(nèi)的全國(guó)激波與激波管學(xué)術(shù)會(huì)議上，均有大量關(guān)于激波管的新應(yīng)用和激波管本身的研究被提出來(lái)。以中、美、英、法、德等國(guó)為代表的各國(guó)均已建成大型激波管裝置，并開展了大量卓有成效的工作[4]。在激波管的研究中，理想激波管的原理早在五十余年前就被提出并完善了，但由于激波管內(nèi)氣體并非理想氣體，其粘性會(huì)導(dǎo)致實(shí)際形成的激波與理論結(jié)算結(jié)果相差較大。同時(shí)在理想激波管的原理中，認(rèn)為膜片破壞是瞬間完成且其開口面積與管內(nèi)徑相同，而這與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)。Ikui與Matsuo[5]于1969年使用邊長(zhǎng)為120mm和38mm的兩個(gè)方形激波管研究了激波管管徑對(duì)激波的傳播的影響。它們使用紋影法觀測(cè)到膜片附近的沖擊波。在實(shí)驗(yàn)中使用空氣作為工作氣體，使用三至四層的厚度為40μm的玻璃紙作為膜片。大激波管的高2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文壓段和低壓段長(zhǎng)度分別為1.5m和9.2m，而小激波管的兩段長(zhǎng)度分別為1.5m和6m，兩個(gè)激波管上均沿長(zhǎng)度方向固定了四個(gè)動(dòng)態(tài)壓力傳感器。他們通過(guò)計(jì)算壓力信號(hào)的到達(dá)時(shí)間來(lái)確定每個(gè)傳感器所在位置的沖擊波速度。最后，他們得到以下結(jié)論：壓縮波在完全壓縮形成強(qiáng)間斷面時(shí)其速度達(dá)到最大值，隨后其速度在空氣的粘性力的作用下逐漸衰減。在相同壓力條件下，激波的形成距離和激波管內(nèi)徑成正比且膜片的破膜時(shí)間與激波管的內(nèi)徑也成正比。而且，他們的實(shí)驗(yàn)還觀測(cè)到在膜片破壞時(shí)，沖擊波在膜片附近是高度彎曲的二維沖擊波。在傳播的過(guò)程中才逐漸變?yōu)橐粋€(gè)平面，而形成平面所需的距離大約是形成激波所需距離的六分之一。Henshall[6]于1957年闡述了激波形成的過(guò)程。當(dāng)膜片破裂時(shí)，一系列壓縮波向激波管的低壓段傳播，而每個(gè)壓縮波的速度等于它所在氣體的速度與聲速之和。因此，第二壓縮波在移動(dòng)到前一組壓縮波經(jīng)過(guò)的壓縮空氣時(shí)，由于壓縮空氣具有更大的聲速，第二壓縮波速度將大于第一壓縮波的速度，最終與第一壓縮波重合。所以在膜片破裂后，經(jīng)過(guò)一段距離，在膜片破裂時(shí)形成的一系列壓縮波會(huì)匯合成一個(gè)壓縮波，即為激波。Lee等[7]于2008年研究了金屬膜片的膜片厚度、槽深和曲率半徑對(duì)膜片破壞時(shí)間和激波形成距離的影響。他們采用1050系列的鋁作為膜片材料，膜片直徑54mm，將膜片分為有溝槽和無(wú)溝槽兩種形式。實(shí)驗(yàn)參數(shù)通過(guò)紋影法和壓力傳感器獲得。他們得到以下結(jié)論：對(duì)于無(wú)溝槽膜片，膜片厚度越小破膜時(shí)間越短，膜片在破壞時(shí)的曲率半徑越大破膜時(shí)間越長(zhǎng)。在相同初始條件下，有溝槽膜片的破膜時(shí)間和激波形成距離均小于無(wú)溝槽膜片。Houas等[8]于2012年研究了膜片的開口面積對(duì)激波傳播的影響。他們?cè)谀て幱脛傂云桨逯文て?，剛性平板上分別開有圓形和正方形的孔。采用12μm厚的鋁箔作為膜片。實(shí)驗(yàn)后得到結(jié)論為：膜片開口面積的形狀對(duì)激波的形成沒(méi)有明顯影響，但開口面積越小，形成激波的距離越長(zhǎng)且激波強(qiáng)度越低。Arun等[9]在2012年對(duì)膜片的破膜過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證了Hickman提出的膜片破壞過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。并指出膜片破膜的時(shí)間越長(zhǎng)，形成的激波的強(qiáng)度越弱。綜上所述，膜片的破膜時(shí)間和開口面積對(duì)形成激波的距離和強(qiáng)度有著較大的影響，所以，對(duì)于膜片的研究具有重要意義。1.3預(yù)制孔靶板在沖擊載荷作用下的研究現(xiàn)狀在現(xiàn)代社會(huì)中，為了保護(hù)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)內(nèi)的人或物，研究結(jié)構(gòu)抵抗沖擊載荷的能力是非常重要的。自二戰(zhàn)以來(lái)，關(guān)于各種結(jié)構(gòu)受空氣爆炸沖擊波加載的響應(yīng)在理論及實(shí)驗(yàn)方面均有廣泛的研究。Nurick等[10-14]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析給出了方形金屬板受爆炸沖擊波作用的失效模式。Wierzbicki等[15]用理論分析了靶板在沖擊載荷作用下開花變形的過(guò)程。3 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文在近期，由數(shù)值模擬方法的發(fā)展，采用有限元方法可以準(zhǔn)確地描述材料特性而不用簡(jiǎn)化模型[16,17]。而有限元方法中的流固耦合計(jì)算方法的發(fā)展為研究大變形靶板的流固耦合效應(yīng)提供了條件[18,19]。Casadei和Potapov[20]提出了多種流固耦合的算法，并應(yīng)用于分析復(fù)雜模型受爆炸沖擊的響應(yīng)[21]。Longere等[22]采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法分析了船體結(jié)構(gòu)鋼板受近場(chǎng)空氣爆炸的響應(yīng)，包括鼓包和開花破壞，并證實(shí)了使用ABAQUS軟件模擬靶板在空氣爆炸下的響應(yīng)的準(zhǔn)確度。Balden等[23]通過(guò)ABAQUS和AUTODYN軟件對(duì)沖擊載荷作用下的靶板變形和損傷進(jìn)行了仿真，證實(shí)了數(shù)值模擬可以較好預(yù)測(cè)板在受沖擊載荷后的響應(yīng)。綜上，關(guān)于靶板在受到?jīng)_擊載荷作用下的響應(yīng)的研究十分廣泛。但在爆炸過(guò)程中，特別是在近場(chǎng)爆炸中，結(jié)構(gòu)受爆炸沖擊波和破片的耦合加載的響應(yīng)遠(yuǎn)大于受爆炸沖擊波或者破片的單獨(dú)加載[24-26]。而爆炸沖擊波和破片耦合加載是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的力學(xué)問(wèn)題，所以在當(dāng)今防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中仍是單獨(dú)考慮破片和爆炸沖擊波對(duì)結(jié)構(gòu)的影響的。而破片和爆炸沖擊對(duì)結(jié)構(gòu)的加載順序也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)產(chǎn)生較大影響[27]。研究人員對(duì)結(jié)構(gòu)受爆炸沖擊波響應(yīng)和材料的抗侵徹方面有著較多的研究，但對(duì)破片的侵徹和爆炸沖擊波的耦合作用的研究相對(duì)缺乏。在預(yù)制孔靶板上作用爆炸沖擊波可以近似模仿靶件受到破片侵徹后再受到爆炸沖擊波加載的情況。Li等[28]研究了開孔方形板對(duì)爆炸的抵抗能力，但是在細(xì)節(jié)方面考慮較少。Langdon等[29]使用帶孔板作為緩和爆炸沖擊的材料，但其主要研究爆炸沖擊波的改變而不是靶板的響應(yīng)。Veldman等[30]研究了有預(yù)應(yīng)力的預(yù)制孔靶板受沖擊載荷作用的響應(yīng)。Rakvag等[31]采用了瞬態(tài)壓力加載的方式模擬了預(yù)制孔靶板受到?jīng)_擊載荷作用的響應(yīng)，并給出了仿真結(jié)果。他們闡述了使用拉格朗日法仿真和使用流固耦合方法仿真靶件中點(diǎn)位移具有較大差異這一現(xiàn)象。Hou等[32,33]研究了預(yù)制孔的數(shù)量和直徑對(duì)靶板響應(yīng)的影響，并給出靶板中心點(diǎn)位移的計(jì)算公式。Jin等[34]給出了預(yù)制孔的圓柱殼在沖擊載荷作用下的破壞特性。Li等[35]采用實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方式研究了三種不同孔型的預(yù)制孔靶板在沖擊載荷作用下的響應(yīng)，并對(duì)比了不同孔型對(duì)靶板變形的影響。以上所有的因素在預(yù)制孔靶板受沖擊載荷作用的響應(yīng)中都呈現(xiàn)高度非線性，因此使用理論分析或者經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)于預(yù)制孔靶板變形的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)都是較為困難的。而且，由于破片對(duì)靶板侵徹后會(huì)產(chǎn)生不同且不規(guī)則的孔型，這對(duì)預(yù)制孔靶板變形的分析增加了難度。1.4本文主要研究?jī)?nèi)容1.4.1聚酯薄膜膜片在破膜過(guò)程中的變形過(guò)程本文使用了厚度為0.05mm，0.1mm，0.2mm三種厚度的聚酯薄膜作為激波管高壓段與低壓段間的膜片。對(duì)聚酯薄膜進(jìn)行單軸準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，獲得其在橫向和縱向兩個(gè)方4 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文向上的彈性模量，硬化模量和拉伸強(qiáng)度，為分析其失效形式提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。將三種不同厚度的聚酯薄膜膜片以不同的順序，不同的數(shù)量進(jìn)行組合，形成不同厚度的組合膜片，并測(cè)試其所能承受的最大壓力載荷與組合順序，結(jié)構(gòu)和總體厚度之間的關(guān)系。采用三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)測(cè)量激波管膜片在從開始充氣至破壞全過(guò)程的膜片變形數(shù)據(jù)信息。以此分析聚酯薄膜膜片在該過(guò)程中的變形特性。利用高速相機(jī)拍攝膜片在破壞瞬間的歷程，獲得膜片破壞的過(guò)程，以分析其失效形式和破膜時(shí)間。1.4.2激波管沖擊載荷加載預(yù)制孔靶板分別在0.5mm厚的2024-T3鋁板上預(yù)制了三種不同類型的孔洞，孔洞呈十字形分布?？衫眉げü墚a(chǎn)生類似于遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸的沖擊載荷，并以此對(duì)以預(yù)制孔鋁板進(jìn)行加載。首先對(duì)激波管進(jìn)行標(biāo)定，獲得激波管高壓氣室壓力與激波強(qiáng)度及激波波速間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)中，沖擊載荷的強(qiáng)度由低至高，鋁板相應(yīng)地發(fā)生由小至大的變形，直至破壞失效。獲得不同孔洞類型的鋁板所能承受的最大載荷強(qiáng)度，并分析孔洞類型對(duì)鋁板所能承受的最大載荷的影響。同樣使用三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)記錄鋁板在變形過(guò)程中的位移場(chǎng)，以此分析預(yù)制孔洞鋁板的失效模式。采用相同強(qiáng)度的載荷對(duì)完整的0.5mm鋁板進(jìn)行加載，將結(jié)果與預(yù)制孔鋁板的響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，分析預(yù)制孔洞對(duì)鋁板承載能力的影響。1.4.3預(yù)制孔靶板受沖擊載荷作用的數(shù)值模擬及分析采用ABAQUS軟件對(duì)預(yù)制孔靶板受沖擊載荷作用的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬。首先對(duì)激波管的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，確定數(shù)值模擬使用的參數(shù)，使得數(shù)值模擬的沖擊載荷與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。使用張偉等[36]于2013年給出的2024-T3鋁合金的本構(gòu)模型，并以UMAT子程序的形式導(dǎo)入進(jìn)ABAQUS軟件中，作為鋁板的材料參數(shù)。通過(guò)有限元的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的正確性及有效性。并通過(guò)數(shù)值模擬的結(jié)果，進(jìn)一步分析含預(yù)制孔鋁板在沖擊載荷作用下的變形特征和失效機(jī)理。在靶件上選取了四個(gè)特征點(diǎn)和兩條截面曲線進(jìn)行分析。通過(guò)給出靶件在兩條截面曲線上的位移和應(yīng)力信息，分析了靶件的變形規(guī)律和應(yīng)力分布的情況。通過(guò)分析靶件上四個(gè)特征點(diǎn)處的位移和應(yīng)力隨時(shí)間的變化，并將不同靶件的特征點(diǎn)處數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，給出并分析了預(yù)制孔靶件在孔洞周圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象。5 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第2章實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原理2.1引言激波管作為一種較為常規(guī)的動(dòng)態(tài)加載實(shí)驗(yàn)設(shè)備已廣泛用于航空、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、等離子體物理等領(lǐng)域。使用激波管模擬沖擊載荷相比真實(shí)爆炸產(chǎn)生沖擊載荷，具有安全性高，操作簡(jiǎn)單，成本低廉，可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文采用激波管作為主要實(shí)驗(yàn)手段，輔以高速攝像機(jī)和壓力傳感器同步采集數(shù)據(jù)，可以較為準(zhǔn)確地模擬靶件在真實(shí)爆炸環(huán)境中的響應(yīng)。在介紹具體實(shí)驗(yàn)設(shè)備前，對(duì)理想激波管基礎(chǔ)原理，結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹是有必要的。盡管這些基礎(chǔ)信息可以在其他文獻(xiàn)中查閱，但在這里對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹為理解和討論本文研究?jī)?nèi)容是有幫助的。整套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由激波管，電荷放大器，示波器，高速攝像機(jī)及計(jì)算機(jī)組成，整套裝置示意圖如圖2-1所示。玻璃板示波器靶艙高速攝像機(jī)1電荷放大器壓力傳感器高速攝像機(jī)1低壓段高壓段聚酯薄膜夾具圖2-1實(shí)驗(yàn)裝置示意圖2.2激波管工作原理理想激波管原理用于壓縮氣體驅(qū)動(dòng)，端部封閉且管壁內(nèi)徑恒定的激波管。它由一個(gè)高壓段（也稱為驅(qū)動(dòng)段），一個(gè)低壓段（也被稱為被驅(qū)動(dòng)段）和一個(gè)用于分隔高壓段和低壓段的膜片裝置組成。當(dāng)膜片瞬間破裂時(shí)產(chǎn)生一束激波向低壓段方向傳播和一系列的稀疏波向高壓段傳播。如圖2-2所示，此時(shí)為膜片破裂的瞬間，在膜片處分別產(chǎn)生一個(gè)右行的激波和一系列左行的稀疏波。圖中壓力和速度的下標(biāo)分別代表各自所在的區(qū)域。6 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文p4初始膜片位置p1a)t=0時(shí)刻p4稀疏波接觸面沖擊波波陣面p3p2p1Eu2usb)t=t1時(shí)刻稀疏波沖擊波波陣面接觸面p2p1u2Eusc)t=t2時(shí)刻沖擊波波陣面稀疏波接觸面p2p1u2usd)t=t3時(shí)刻p5稀疏波接觸面u2e)t=t4時(shí)刻圖2-2激波管原理示意圖在t=0時(shí)刻膜片破壞，產(chǎn)生一個(gè)激波進(jìn)入壓力為p1的低壓空氣中和一系列稀疏波進(jìn)入壓力為p4的高壓空氣中。高壓空氣類似于一個(gè)活塞向低壓段移動(dòng)，生成一個(gè)波速為us的激波，us大于未受擾動(dòng)的空氣中聲速a1。在區(qū)域1中，激波對(duì)處于激波波陣面上的被驅(qū)動(dòng)氣體進(jìn)行壓縮，加熱和加速，使得被驅(qū)動(dòng)氣體在通過(guò)激波波陣面后立即具有u2的粒子速度和p2的壓力。被近乎瞬間加速的被驅(qū)動(dòng)氣體在通過(guò)激波波陣面時(shí)，其密度，壓力和溫度均有躍升。在理想氣體條件下，激波有一個(gè)納米級(jí)的寬度，在這個(gè)寬度中的被壓縮氣體的壓力，密度和溫度相同。在高壓段與低壓段之間氣體的接觸面以膜片處為初始位置以u(píng)2速度向低壓段移動(dòng)。同時(shí)，相對(duì)于激波向低壓段傳播，一系列的稀疏波在高壓空氣的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)中持續(xù)產(chǎn)生。如圖2-2(b)所示，這一系列由E表示的稀疏波向左運(yùn)動(dòng)到高壓段的端面時(shí)發(fā)生反射，而7 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文后以激波的運(yùn)動(dòng)方向向右繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。如果高壓段足夠短，那么反射的稀疏波會(huì)在激波達(dá)到試件之前追上氣體的接觸面和激波。激波在受到稀疏波的作用后，其強(qiáng)度和速度均會(huì)下降，脈沖寬度會(huì)變寬，其波形變成與沖擊載荷相似的波形，并作用到試件上。激波速度的減少是由于稀疏波減少了激波的驅(qū)動(dòng)壓力。為了使得激波的波形與沖擊載荷的波形相似，圖2-1所示的實(shí)驗(yàn)裝置的低壓段與高壓段的長(zhǎng)度比較傳統(tǒng)激波管較大。當(dāng)激波達(dá)到激波管的末端時(shí)，入射的激波發(fā)生反射并向反方向傳播。在反射激波的波陣面之后的粒子速度為0，其壓力p5明顯大于入射激波的壓力。反射波的壓力與時(shí)間的曲線的形狀取決于反射激波與剩余右行入射激波之間強(qiáng)度的比例關(guān)系和入射波的波形。隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的增加，可以使用數(shù)值模擬的方法來(lái)處理這類相互作用的現(xiàn)象和波形。最后，將一塊可變形的靶板固定于激波管末端，用于研究靶板受到爆炸沖擊波的響應(yīng)。2.3三維DIC技術(shù)原理三維DIC技術(shù)全稱三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，其基本原理是將由雙目立體視覺(jué)方法進(jìn)行同步拍攝的兩個(gè)角度的被測(cè)物體表面的照片進(jìn)行數(shù)字圖像相關(guān)匹配后，計(jì)算出被測(cè)物體表面在三維空間中的位移場(chǎng)。該方法具有非接觸、全場(chǎng)測(cè)量、測(cè)量方法簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。但其測(cè)量的精度對(duì)高速攝像機(jī)的性能要求較高。本實(shí)驗(yàn)中采用兩臺(tái)型號(hào)為SA-Z的Photron高速攝像機(jī)和GOM公司的ARAMIS軟件組成三維DIC的測(cè)試系統(tǒng)。兩臺(tái)高速攝像機(jī)以22度角的夾角布置于距靶件后約0.5m處。實(shí)驗(yàn)中高速攝像機(jī)的采集頻率為50400fps，窗口分辨率為640*584。在實(shí)驗(yàn)前，對(duì)試件和試件后部的夾具噴上大小不一的黑白的散斑，如圖2-3(a)所示，散斑大小在1mm-3mm之間約為4-12像素。散斑大小的選取取決于ARAMIS軟件分析時(shí)的需要，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試后確定在這個(gè)范圍內(nèi)的散斑識(shí)別率較好。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用輔助光源對(duì)試件進(jìn)行照射以提高其亮度。通過(guò)布置于激波管低壓段上的傳感器同步觸發(fā)兩臺(tái)高速攝像機(jī)。在實(shí)驗(yàn)后，將兩臺(tái)高速攝像機(jī)的照片同時(shí)導(dǎo)入ARAMIS軟件中進(jìn)行分析，步長(zhǎng)為1像素，面片大小為15像素。處理后即可得到試件被測(cè)表面在三維空間中的位移場(chǎng)，如圖2-3(b)所示。8 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文a)高速相機(jī)所得照片b)DIC處理后所得結(jié)果圖2-3靶件上的散斑及DIC處理后結(jié)果2.4實(shí)驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)及參數(shù)激波管結(jié)構(gòu)的示意圖如圖4所示，整個(gè)激波管結(jié)構(gòu)包含高壓段，低壓段，膜片裝置，靶件和靶艙四個(gè)部分組成。其中，高壓段，低壓段，膜片裝置，靶件均用法蘭進(jìn)行連接。在法蘭表面裝有橡膠O型圈以保證整個(gè)裝置的氣密性。整個(gè)激波管由42CrMo合金鋼制成，全長(zhǎng)2.128m，內(nèi)徑0.066m，管體幾何誤差精度滿足ISO2768-1標(biāo)準(zhǔn)。高壓段長(zhǎng)0.128m，并備有與其內(nèi)徑相同的實(shí)心鋁塊作為填充物，使其長(zhǎng)度可以根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整。高壓段上裝有壓力傳感器，充氣孔和泄氣閥門，分別用于測(cè)量高壓段內(nèi)的實(shí)時(shí)氣壓，將高壓氣體灌入高壓段內(nèi)和釋放高壓段內(nèi)的高壓氣。低壓段長(zhǎng)2m，其上有三個(gè)同軸、均布的壓力傳感器，用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中入射激波和反射激波的波速及強(qiáng)度。膜片裝置長(zhǎng)0.04m，其上裝有壓力傳感器，充氣孔和泄氣閥門。將膜片裝置安裝在高壓段和低壓段之間，在膜片裝置兩側(cè)可以分別裝有膜片以組成雙膜結(jié)構(gòu)，或僅在其中一側(cè)裝有膜片作為單膜結(jié)構(gòu)。雙膜結(jié)構(gòu)一般用于當(dāng)高壓段與低壓段之間壓力差過(guò)大的情況。使用雙膜結(jié)構(gòu)時(shí)，在膜片裝置的左右兩側(cè)均裝有適當(dāng)厚度的膜片。在膜片裝置中充入壓力介于高壓段內(nèi)壓力與低壓段內(nèi)壓力之間的氣體，使得在膜片兩側(cè)壓力差不至于過(guò)大，使得膜片過(guò)厚。在破壞時(shí)，首先破壞高壓段與膜片裝置之間的膜片，使得膜片裝置內(nèi)的壓力迅速增大超過(guò)膜片裝置與低壓段之間膜片所能承受的壓力差的極限，導(dǎo)致其破壞。相對(duì)的，單膜結(jié)構(gòu)則適用于高壓段內(nèi)壓力較低的情況。在高壓段內(nèi)壓力與低壓段內(nèi)壓力差較小時(shí)，膜片厚度在可接受范圍內(nèi)。9 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文靶件膜片裝置長(zhǎng)桿螺釘螺母膜片傳感器2傳感器3傳感器1217mΦ90mmm低壓段高壓段傳感器4夾具2000mm30mm128mm圖2-4激波管結(jié)構(gòu)示意圖靶件安裝在激波管的末端，由法蘭和與激波管內(nèi)徑相同的夾具進(jìn)行固定。靶件背后噴有黑白散斑，用于DIC觀測(cè)。將靶件連同低壓段末端置于靶艙之中，靶艙同樣由42CrMo合金鋼制成，四周安裝有高透光性的厚度為0.01m的有機(jī)玻璃用于觀察。靶艙用于阻止激波在破壞試件后對(duì)周圍的環(huán)境造成破壞。高速攝像機(jī)布置在激波管末端后方，兩臺(tái)攝像機(jī)呈30度夾角，透過(guò)靶艙的玻璃拍攝試件的變形。在激波管上安裝的壓力傳感器經(jīng)由電荷放大器將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并輸入至示波器中，由示波器進(jìn)行記錄。2.5激波管標(biāo)定使用剛性板作為激波管的靶件，并在剛性板的中央上安裝傳感器，剛性板安裝在激波管的末端。預(yù)先設(shè)定多種不同的破膜瞬間的高壓氣室壓力，并以此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得在破膜瞬間的高壓氣室壓力與產(chǎn)生的入射激波的強(qiáng)度、速度、反射激波的強(qiáng)度等參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2-1所示，共進(jìn)行了八組實(shí)驗(yàn)，以序號(hào)1-8表示。可以認(rèn)為：高壓氣室的壓力與入射激波的壓力基本呈線性關(guān)系；高壓氣室的壓力與入射激波的速度基本呈線性關(guān)系；高壓氣室的壓力與反射激波的壓力基本呈線性關(guān)系；圖2-5給出圖2-4中編號(hào)為1,2,4的壓力傳感器的信號(hào)。結(jié)合圖2-5與表2-1數(shù)據(jù)可以看出，垂直于激波管軸線方向布置的壓力傳感器所得壓力信號(hào)與安裝在剛性板上的壓力傳感器的信號(hào)存在著較大差異。但分析其壓力參數(shù)可以認(rèn)為：兩種不同方式布置的壓力傳感器所得壓力信號(hào)呈線性關(guān)系。通過(guò)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，可以認(rèn)為激波管在高壓氣室壓力確定的情況下，其產(chǎn)生的沖擊載荷是近乎相同的。10 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文a)序號(hào)2b)序號(hào)3c)序號(hào)5d)序號(hào)7圖2-5三個(gè)壓力傳感器所得壓力信號(hào)11 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文表2-1激波管剛性靶標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果傳感器峰值壓力(MPa)序號(hào)沖擊波波速(m/s)傳感器1傳感器2傳感器3傳感器410.340.311.110.81600.7420.500.482.221.23688.1330.570.523.341.91734.8940.580.554.452.05748.3650.620.595.562.23762.4860.680.646.672.52795.4270.710.687.782.71808.6480.740.718.902.86825.22由此在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，可以使用上述結(jié)論，通過(guò)破膜瞬間高壓氣室的壓力以及入射激波的波速來(lái)確定入射激波的強(qiáng)度和反射激波的強(qiáng)度。2.6本章小結(jié)本章主要著重介紹了激波管的結(jié)構(gòu)和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)原理。詳細(xì)闡述了理想激波管的原理，即利用激波管膜片在破壞時(shí)，高壓段與低壓段之間壓力的間斷面產(chǎn)生激波，通過(guò)對(duì)高壓段與低壓段長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)，使得激波波形變?yōu)轭愃朴诒_擊波的波形。簡(jiǎn)要介紹了三維DIC的測(cè)量原理，即利用兩臺(tái)高速攝像機(jī)形成雙目立體視覺(jué)效果，并輔以數(shù)字相關(guān)技術(shù)的計(jì)算后得到被測(cè)試件表面的位移場(chǎng)。在實(shí)驗(yàn)中采用此方法對(duì)被測(cè)試件的動(dòng)態(tài)變形進(jìn)行非接觸式全場(chǎng)測(cè)量。描述了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的各部分。激波管的結(jié)構(gòu)包括高壓段，低壓段，膜片裝置和靶艙四個(gè)部分，并詳細(xì)說(shuō)明了其結(jié)構(gòu)參數(shù)。測(cè)量工具包括壓力傳感器，電荷放大器，示波器及三維DIC測(cè)試系統(tǒng)，用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所需要的數(shù)據(jù)。12 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第3章激波管膜片變形過(guò)程分析3.1引言近年開始使用聚酯薄膜作為激波管的膜片以替代原來(lái)的金屬膜片，并出現(xiàn)了多種破膜方法[37,38]。聚酯薄膜作為膜片具有價(jià)格低廉、便于安裝、易于控制破膜壓力等優(yōu)點(diǎn)。新近Nguyen等[39]研究過(guò)膜片承載與膜片厚度的關(guān)系。Gharababaei等[40]給出了金屬薄板在靜態(tài)壓力下變形的數(shù)學(xué)規(guī)律。Bradley[41]等使用理想的變形模型對(duì)激波管中的膜片變形進(jìn)行過(guò)分析。Barsoum[42]、Rothkopf[43]、Campbell[44]等研究了膜片破壞時(shí)的速度與形狀對(duì)激波的影響。佟富強(qiáng)[45]、黃官?gòu)?qiáng)[46]等對(duì)聚酯薄膜的一維應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行過(guò)深入研究，得到了單向拉伸的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。需指出的是，以上研究都局限在彈性變形范圍，假設(shè)薄膜為圓弧狀變形，而對(duì)后續(xù)更嚴(yán)重變形沒(méi)有涉及。本章主要研究不同厚度的聚酯薄膜在不同壓力下的變形全過(guò)程。發(fā)現(xiàn)接近破壞時(shí)，膜片會(huì)出現(xiàn)圓弧反翹的現(xiàn)象。以此為依據(jù)，將全過(guò)程分為兩個(gè)階段，給出膜片變形過(guò)程的數(shù)學(xué)規(guī)律。3.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖3-1所示，實(shí)驗(yàn)裝置由高壓段、靶艙和高速攝像機(jī)組成。其中，高壓段長(zhǎng)0.128m，直徑0.066m，最大承受壓力為20MPa。高壓段的壓力通過(guò)壓力傳感器獲得。在高壓段的管口，使用夾具裝有不同厚度的聚酯薄膜膜片。本實(shí)驗(yàn)采用常州新遙光絕緣材料有限公司生產(chǎn)的BE12型號(hào)的PET聚酯薄膜作為膜片。如圖3-2所示，采用GB/T1040標(biāo)準(zhǔn)對(duì)聚酯薄膜進(jìn)行常溫下準(zhǔn)靜態(tài)拉伸，獲得膜片縱向及橫向的應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖可知，薄膜兩個(gè)方向的彈性模量近似相等，但在塑性階段，受制作工藝影響，其拉伸強(qiáng)度和硬化模量存在較大差異。本實(shí)驗(yàn)中，使用兩臺(tái)高速攝像機(jī)同步記錄膜片的破壞過(guò)程后，用DIC分析軟件ARAMIS對(duì)所獲得的照片進(jìn)行計(jì)算，獲得膜片從充氣到破壞的變形歷程。在本實(shí)驗(yàn)中，壓力增速約為0.012MPa/s。13 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文玻璃板示波器靶艙電荷放相機(jī)1大器壓力傳感器高壓段相機(jī)2聚酯薄膜夾具a)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖b)實(shí)驗(yàn)設(shè)備照片圖3-1實(shí)驗(yàn)裝置示意圖及照片圖3-2膜片的應(yīng)力應(yīng)變曲線3.3膜片破壞壓力與其厚度的關(guān)系在激波管實(shí)驗(yàn)中，可采用單膜或多膜結(jié)構(gòu)的聚酯薄膜膜片。膜片的最大承載直接決定激波管高壓段內(nèi)壓力大小，而這與聚酯薄膜膜片的厚度有直接關(guān)系。本文考慮0.05mm、0.1mm和0.2mm三種不同厚度聚酯薄膜組合，以此獲得不同厚度或同厚度下不同組合的薄膜承載能力。在上述實(shí)驗(yàn)裝置中安裝不同厚度與不同組合方式的膜片。在高壓段中逐漸增加氣體壓力，由壓力傳感器得到高壓段內(nèi)的壓力。表3-1給出膜片破壞壓力，共有8種不同厚度的不同組合方式。由表3-1可知，在相同厚度的條件下，不同的膜片組合對(duì)膜片最大破壞壓力影響甚小。可認(rèn)為：同種材質(zhì)、同種實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的聚酯薄膜膜片的最大破壞壓力僅與其厚度有關(guān)，與組合方式無(wú)關(guān)。用最小二乘法擬合表3-1的數(shù)據(jù)，獲得膜片厚度與其最大破壞壓力的關(guān)系。如圖3-3所示，聚酯薄膜的最大破壞壓力與其厚度呈線性關(guān)系，如式（3-1）所示。??max=????（3-1）14 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文其中，??max為膜片的破壞壓力，單位為MPa；??為膜片的初始厚度，單位為mm；k為圖3中直線斜率。本實(shí)驗(yàn)中??=5.56MPa/mm，??值受材料及制作工藝的影響?？捎孟嗤椒ǐ@得不同膜片的??值。表3-1不同膜片組合及厚度的最大破壞壓力膜片使用數(shù)量總厚度(mm)最大破壞壓力(MPa)0.05mm0.1mm0.2mm1000.050.3112000.10.6260100.10.5664000.21.1810200.21.2140010.21.0894010.42.2440210.42.2920400.42.4174210.63.4460030.63.3440040.84.41140415.56802415.51400515.5244241.26.6320061.26.65915 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文圖3-3不同厚度及組合方式的膜片的破壞壓力3.4膜片變形規(guī)律為研究聚酯薄膜膜片的破壞過(guò)程，需獲得膜片在不同壓力下對(duì)應(yīng)的變形。在不同厚度的膜片表面繪制5mm*5mm的網(wǎng)格，使用高速相機(jī)記錄膜片的變形過(guò)程。圖3-4(a)、(b)、(c)分別表示0.05mm、0.1mm和0.2mm厚度的膜片在不同壓力下的變形過(guò)程?？捎^察到，膜片中心的網(wǎng)格變形最大，四周較小，網(wǎng)格變形基本呈軸對(duì)稱分布。使用三維DIC技術(shù)進(jìn)一步觀察膜片的變形，將兩臺(tái)相機(jī)同步記錄的圖片導(dǎo)入ARAMIS軟件進(jìn)行計(jì)算后可得膜片的位移場(chǎng)。圖3-5給出0.2mm厚度的膜片在不同壓力條件下的變形圖。與圖3-4相同，膜片位移場(chǎng)呈軸對(duì)稱變化，中心處位移最大，因此可由輪廓曲線描述膜片完整形狀。圖3-6(a)、(b)、(c)分別給出三種厚度的膜片在不同壓力下的輪廓曲線，從下至上分別記為line1至line9，其中l(wèi)ine1、line4、line7和line9分別與圖3-4(a)、(b)、(c)中變形相對(duì)應(yīng)。圖3-6(d)給出了這三種厚度膜片中心處撓度與壓力的關(guān)系。16 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文0.011MPa0.162MPa0.270MPa0.278MPaa)0.05mm膜片變形過(guò)程0.043MPa0.300MPa0.538MPa0.557MPab)0.1mm膜片變形過(guò)程0.037MPa0.683MPa1.083MPa1.114MPac)0.2mm膜片變形過(guò)程圖3-4三種厚度的膜片在不同壓力條件下的變形Z方向撓度(mm)30201000.037MPa0.683MPa1.083MPa1.114MPa圖3-5DIC處理后所得不同壓力條件下0.2mm厚膜片變形的典型結(jié)果由圖3-6(a)、(b)、(c)可知，隨著壓力增加，膜片輪廓曲線由圓弧形狀逐漸變化為僅頭頂部呈圓弧的錐形，最后錐形兩側(cè)的直線發(fā)生內(nèi)凹現(xiàn)象，出現(xiàn)圓弧反翹。當(dāng)輪廓曲線剛出現(xiàn)內(nèi)凹時(shí)，可假設(shè)該錐形作為其極限輪廓。用兩條虛線表示極限輪廓，可將變形過(guò)程分為兩個(gè)階段。第一階段，為前七條曲線，即輪廓曲線在極限輪廓內(nèi)變化。第二階段為后兩條曲線，則是輪廓曲線超過(guò)極限輪廓出現(xiàn)圓弧反翹。17 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文a)0.05mm膜片b)0.1mm膜片c)0.2mm膜片d)中心點(diǎn)撓度與壓力曲線圖圖3-6三種不同厚度膜片的變形輪廓曲線及膜片中心撓度與壓力曲線在第一階段中，前三條曲線呈圓弧狀，各點(diǎn)曲率大致相等且逐漸增大。第四至第七條曲線達(dá)到極限輪廓的部分撓度近乎不變，曲率接近為零，基本呈現(xiàn)直線特征，而圓弧部分各點(diǎn)曲率仍大致相等且繼續(xù)增大。在第二階段，輪廓曲線開始超過(guò)極限輪廓，輪廓曲線中央部分出現(xiàn)反翹現(xiàn)象。曲線中點(diǎn)的撓度、曲率迅速增大直至膜片破壞。圖3-6中，虛線的斜率是接近一致的，平均值為0.73。令輪廓曲線即將超過(guò)極限輪廓時(shí)對(duì)應(yīng)壓力臨界點(diǎn)為Qi，膜片破壞時(shí)對(duì)應(yīng)壓力臨界點(diǎn)為Qfi，其中i=1,2,3。分別得到這六個(gè)點(diǎn)的壓力及撓度參數(shù)，如表2所示。其中，??1為壓力與厚度之比，顯然臨界點(diǎn)的壓力與膜片厚度成正比?？紤]上一節(jié)中膜片厚度與破壞壓力的關(guān)系得到，Qf點(diǎn)處??1即為上一節(jié)所得k，膜片臨界點(diǎn)的壓力約為破壞壓力的97.4%，代入式（3-1）得式（3-2）。??Q=0.974????{（3-2）??Q=a??其中，??即為臨界點(diǎn)的壓力，單位為MPa；a為常數(shù)，約為4.100mm2/MPa；??為Q點(diǎn)QQ處膜片中心撓度，單位為mm。18 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文表3-2三種不同厚度膜片臨界點(diǎn)的數(shù)據(jù)厚度壓力平均撓度??1??1平均值臨界點(diǎn)撓度(mm)(mm)(MPa)(mm)(MPa·mm-1)(MPa·mm-1)Q10.050.27122.815.42Q20.10.54522.9522.845.455.440Q30.21.0822.755.45Qf10.050.27826.025.56Qf20.10.55726.0126.475.565.563Qf30.21.11427.435.57膜片的應(yīng)變場(chǎng)可由位移場(chǎng)計(jì)算得到。顯然，膜片的應(yīng)變分布也是軸對(duì)稱的，只需考慮輪廓曲線上的應(yīng)變分布。由于Gharababaei[40]等人對(duì)鼓包后金屬薄板的應(yīng)變計(jì)算方法是連續(xù)的，但DIC獲得的數(shù)據(jù)是離散點(diǎn)的位移信息，所以對(duì)其離散化后得到式（3-3）。√[??′(??+1,??)???′(???1,??)]2+[??′(??+1,??)???′(???1,??)]2??r=??(??+1,??)???(???1,??)??′(??,??+1)???′(??,???1)??θ=（3-3）??(??,??+1)???(??,???1)1{??t=1?(1+??r)(1+??θ)其中，a，b分別表示網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在x，y方向的編號(hào)。u，v分別表示節(jié)點(diǎn)在x，y方向的初始坐標(biāo)。??′，??′，??′分別表示在x，y，z方向變形后的坐標(biāo)。??，??分別為徑向應(yīng)rθ變和環(huán)向應(yīng)變。??t為厚度減少的百分比，對(duì)應(yīng)圖3-7中的縱坐標(biāo)。這樣可獲得膜片厚度在剖面上的分布，如圖3-7(a)、(b)、(c)所示，圖中給出了與圖3-6中九條輪廓曲線所對(duì)應(yīng)的厚度變化分布曲線。膜片大變形時(shí)，其邊緣處與相機(jī)的夾角很小，再經(jīng)過(guò)計(jì)算會(huì)造成較大的誤差，所以僅給出膜片中間部分的厚度變化分布。19 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文a)0.05mm膜片b)0.1mm膜片c)0.2mm膜片d)厚度與壓力曲線圖圖3-7膜片變形后的厚度減小量與壓力曲線如圖3-7所示，處于第一階段的膜片厚度變化較為均衡，中間處的厚度較邊緣減少量略多，厚度略薄，分布的形狀近似于一段圓弧。隨著壓力的增加，膜片厚度的變化逐漸加快。在第二階段中，分布呈錐形，中心處膜片的厚度最小且遠(yuǎn)小于膜片邊緣的。膜片中心處厚度隨著壓力的增加快速減小，距離中心點(diǎn)越遠(yuǎn)，厚度的變化速度越慢。中心處也是膜片破裂位置。圖3-7(d)給出三種初始厚度膜片的中心處厚度變化與壓力的關(guān)系。與中心處撓度與壓力的關(guān)系類似，三條曲線的趨勢(shì)是相似的，僅斜率不同。與前面類似，受膜片初始厚度的影響，三條曲線的斜率與膜片的初始厚度也呈反比關(guān)系。3.5膜片變形規(guī)律的數(shù)學(xué)模型根據(jù)以上分析，膜片變形可分為兩個(gè)階段，第一階段為膜片的圓弧變形，第二階段為膜片出現(xiàn)反翹至破壞。根據(jù)表3-2中Qi點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)可知，對(duì)于厚度為??的膜片，??≤0.974????為第一階段，0.974????0.6k??50000????33其中，k為膜片最大破壞壓力與其厚度的比值，單位為MPa/mm；??max為膜片中心點(diǎn)的撓度，單位為mm；P為高壓氣室內(nèi)壓強(qiáng)，單位為MPa；??為膜片初始厚度，單位為mm；R為激波管半徑，單位為mm。由幾何關(guān)系，可得膜片第一階段的形狀規(guī)律。與式（3-4）相同，將第一階段的膜片變形分為兩個(gè)部分。第一部分膜片輪廓曲線可近似認(rèn)為是一段圓弧，可得圓弧半徑與最大撓度的關(guān)系。第二部分膜片輪廓曲線中間近似為一段圓弧，邊側(cè)部分近似為直線，其斜率即為圖3-5中極限輪廓的斜率0.73?？傻弥本€長(zhǎng)度、圓弧半徑分別與最大撓度的關(guān)系，如式（3-5）、式（3-6）。??max??2??=+，??≤0.6????{22??max（3-5）??max??=3.067???，??>0.6????0.238??=0.59(??max???)+0.81??（3-6）a)撓度變化的實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比b)半徑變化的實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖3-8模型計(jì)算所得曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比其中，r為輪廓曲線的圓弧半徑，單位為mm。L為輪廓曲線兩側(cè)直線部分長(zhǎng)度，單位為mm。采用上述公式對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖3-8所示。顯然如圖3-8(a)所示，由式（3-4）計(jì)算所得三種厚度膜片的最大撓度與壓力的關(guān)系曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比吻合較好。圖3-8(b)表示三種厚度膜片在不同壓力下圓弧部分的半徑與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。由于在計(jì)算中使用了式（3-4）的計(jì)算結(jié)果，誤差會(huì)累計(jì)，導(dǎo)致0.2mm厚度的曲線左端誤差較大，但一般而言，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。由于圓弧的半徑和最大撓度決定直線部分長(zhǎng)度，后者誤差取決于前兩者誤差，所以直線部分長(zhǎng)度誤差同樣較小。21 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文圖3-9模型計(jì)算所得膜片厚度變化與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比膜片厚度的變化直接取決于膜片的變形狀態(tài)，而圖3-7(d)中曲線與圖3-6(d)類似，可將膜片中心處最大撓度與厚度變化相聯(lián)系。利用式(3-4)結(jié)果，得到膜片厚度變化與最大撓度之間的關(guān)系，如式（3-7）。??max2??max??=141.57()?9.57+0.66，??≤0.6????????{（3-7）??max??=105.6?23，??>0.6??????其中，t為膜片中心厚度減少量百分比。將式（3-4）代入式（3-7），可計(jì)算膜片中心厚度減少量，圖3-9給出計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較。3.6膜片破壞過(guò)程在激波管的理論中，膜片的破壞過(guò)程被假設(shè)為瞬時(shí)的且其開口面積等同于管內(nèi)截面積，但在真實(shí)激波管的實(shí)驗(yàn)中，膜片的破壞事件，開口面積均會(huì)對(duì)激波的形成造成客觀的影響。因此，研究聚酯薄膜作為膜片時(shí)的破膜速度和開口面積對(duì)理論分析產(chǎn)生的激波的參數(shù)具有重要意義。使用高速攝像機(jī)拍攝膜片破壞的過(guò)程，如圖3-10所示。給出了膜片從開始出現(xiàn)裂紋至完全破壞這一過(guò)程膜片開口的變化。對(duì)比圖3-2中膜片兩個(gè)方向的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)，膜片裂紋出現(xiàn)的方向正是拉伸強(qiáng)度較強(qiáng)的方向。在拉伸強(qiáng)度較弱的方向膜片發(fā)生脆性斷裂，形成如圖所示的裂紋。在裂紋形成后，裂紋沿裂紋尖端擴(kuò)展，長(zhǎng)度逐漸延長(zhǎng)。裂紋的側(cè)邊受高壓氣室內(nèi)氣體的壓力作用，逐漸向兩側(cè)擴(kuò)張。最終裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展至激波管的內(nèi)徑，裂紋側(cè)面也接近激波管的管壁時(shí)，膜片的破壞過(guò)程結(jié)束。22 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文t=0μst=69.4μst=138.9μst=277.8μst=416.7μs圖3-10激波管膜片破膜過(guò)程為研究破膜時(shí)間需規(guī)定破膜過(guò)程的開始時(shí)刻與結(jié)束時(shí)刻，本文以膜片出現(xiàn)裂紋作為破膜開始的時(shí)刻，以膜片開口面積達(dá)到激波管管內(nèi)截面積的80%作為破膜的結(jié)束時(shí)刻。激波管管內(nèi)截面積為3422mm2，所以當(dāng)膜片開口面積達(dá)到2738m2時(shí)即認(rèn)為膜片破膜完成。以此標(biāo)準(zhǔn)得到不同厚度膜片的破膜時(shí)間和最終開口面積，見表3-3。表3-3不同厚度膜片的破膜時(shí)間和開口面積膜片厚度(mm)破膜時(shí)間(μs)最終開口面積(mm2)0.447229000.247232000.241731000.144430000.054313100從表中可知，膜片的破膜時(shí)間基本恒定，其開口面積也大致相同。破膜時(shí)間和最終開口面積與膜片厚度無(wú)關(guān)。對(duì)比Nguyen[39]等給出的鋁制膜片的破膜過(guò)程及時(shí)間可以看出，當(dāng)聚酯薄膜處于277.8μs時(shí)的開口情況與鋁制膜片558μs時(shí)的情況幾乎相同，所以聚酯薄膜作為激波管膜片具有破膜速度快的優(yōu)勢(shì)。圖3-11Nguyen所得到激波管膜片的破壞時(shí)間[39]3.7本章小結(jié)本章對(duì)激波管聚酯膜片的最大承載進(jìn)行試驗(yàn)，得到膜片的最大承載與其組合方式無(wú)關(guān)，僅與其厚度相關(guān)且呈線性關(guān)系。使用DIC技術(shù)對(duì)膜片破壞全過(guò)程進(jìn)行觀察分析，獲得膜片從靜止到破壞全過(guò)程的變化規(guī)律，觀察到膜片在破壞前出現(xiàn)圓弧反翹的特別現(xiàn)象。以出現(xiàn)反翹為判據(jù)，將整個(gè)過(guò)程分為兩階段。給出了任意厚度膜片在第一階段圓弧變形23 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文過(guò)程中最大撓度與壓力及膜片形狀的關(guān)系，以及膜片在第二階段圓弧反翹的變形特征。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理獲得了膜片在變化過(guò)程中的厚度變化，及其與膜片最大撓度的關(guān)系。本章對(duì)激波管膜片破壞過(guò)程的研究，獲得了膜片破壞的時(shí)間和開口面積，可對(duì)激波管破膜裝置設(shè)計(jì)及對(duì)激波強(qiáng)度分析提供參考，為后續(xù)工作提供基礎(chǔ)。24 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第4章激波管沖擊載荷作用下預(yù)制孔鋁板變形的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果4.1引言近年來(lái)，不少研究人員開始對(duì)靶件受破片和沖擊波耦合加載的響應(yīng)這一問(wèn)題進(jìn)行研究。由于該問(wèn)題較為復(fù)雜，在研究過(guò)程中，主要將其簡(jiǎn)化為兩類情況進(jìn)行分析：第一類為靶件先受到?jīng)_擊波作用再受到破片的侵徹；第二類為靶件在受到破片侵徹后再受到?jīng)_擊波作用。本文的研究對(duì)象也為第二類情況。在研究過(guò)程中，大多數(shù)研究人員采用實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行研究。他們主要采用炸藥爆炸的方式產(chǎn)生沖擊波，這對(duì)實(shí)驗(yàn)成本、設(shè)備、環(huán)境等因素要求較高?？紤]到激波管可以產(chǎn)生與遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸相似的沖擊波，且激波管具有操作簡(jiǎn)單，成本低廉，安全性高等優(yōu)勢(shì)，所以采用激波管產(chǎn)生沖擊波是一種可行的方案。因此，本文采用預(yù)制孔洞靶件來(lái)模擬靶件受到破片侵徹后的狀態(tài)，通過(guò)激波管產(chǎn)生與爆炸沖擊波相似的沖擊波對(duì)靶件進(jìn)行加載。在相同沖擊波強(qiáng)度條件下，預(yù)制孔洞的孔型和分布均會(huì)對(duì)靶件的響應(yīng)產(chǎn)生較大的影響，而它們的組合方式是任意的，所以在本文中僅考慮三種不同的典型孔洞均以十字形分布的情況。使用三維DIC系統(tǒng)對(duì)靶件的變形過(guò)程進(jìn)行采集，以獲取其在變形歷程中背面的位移場(chǎng)。使用ABAQUS軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真，獲得相比實(shí)驗(yàn)更加詳細(xì)的數(shù)據(jù)。4.2實(shí)驗(yàn)材料參數(shù)本文采用東北輕合金有限責(zé)任公司生產(chǎn)2A12-T3型號(hào)的鋁合金作為靶件材料，靶件被裁剪為厚度0.5mm，邊長(zhǎng)160mm的正方形薄板。如圖4-1(a)所示，在靶件中心處開有五個(gè)完全相同的孔洞，并呈“十”字形分布。孔型分為正方形，菱形，圓形三種，其中圓形同時(shí)為正方形的內(nèi)接圓和菱形的外接圓。圓形的直徑、正方形邊長(zhǎng)和菱形對(duì)角線長(zhǎng)相等，均為6mm。試件邊緣處有均布的六個(gè)直徑12mm的圓孔，用于安裝螺栓固定靶件，如圖4-1(b)所示。將靶件置于低壓段管口和夾具之間，低壓段管口的法蘭和夾具上均有與靶件對(duì)應(yīng)的圓孔。用螺栓與螺母將夾具、靶件和法蘭固定在一起。其中，夾具厚5mm，材料為42CrMo合金鋼，其中心具有和激波管內(nèi)徑相同的圓孔。25 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文螺母夾具靶件低壓段螺栓a)靶件尺寸示意圖b)靶件固定方式示意圖圖4-1靶件尺寸及安裝方式示意圖材料參數(shù)引用張偉等[36]于2013年給出的2A12鋁合金本構(gòu)關(guān)系和失效模型。他們通過(guò)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)、霍普金斯桿和Taylor撞擊實(shí)驗(yàn)的方法獲得了2A12鋁合金的準(zhǔn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，并給出了修正后的Johnson-Cook失效模型。將其在文獻(xiàn)中所給參數(shù)及模型，使用Fortran語(yǔ)言編寫成UMAT子程序，用于后續(xù)ABAQUS軟件的仿真。4.3數(shù)值模擬模型4.3.1兩種數(shù)值模擬模型的建模參數(shù)本文使用ABAQUS軟件作為數(shù)值模擬軟件，采用兩種數(shù)值模擬的模型對(duì)實(shí)驗(yàn)仿真。Aune[47]與趙欣[48]分別在其論文中為簡(jiǎn)化流固耦合問(wèn)題的數(shù)值模擬計(jì)算，將流固耦合問(wèn)題進(jìn)行解耦求解。本文借鑒其解耦的思路，分別使用耦合歐拉拉格朗日方法（簡(jiǎn)稱CEL方法）求解該流固耦合問(wèn)題和將該流固耦合問(wèn)題解耦成流體問(wèn)題和固體問(wèn)題求解。在CEL方法建模過(guò)程中，建立了激波管，空氣域和靶件三個(gè)部分的模型。如圖4-2所示。圖4-2數(shù)值模擬的流固耦合模型其中，激波管管壁使用拉格朗日網(wǎng)格建立，使用鋼材的材料參數(shù)如表4-1所示。26 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文表4-1金屬材料參數(shù)材料密度(kg/m3)楊氏模量(GPa)泊松比鋼78502040.332024-T3鋁合金277071.70.33空氣域使用歐拉域進(jìn)行建模，為氣體流動(dòng)的區(qū)域，采用U3D8R單元。將其剖分后，于高壓段部分填充高壓力的空氣，其余部分填充處于常態(tài)的空氣。為簡(jiǎn)化計(jì)算與建模，采用理想激波管的假設(shè)條件對(duì)膜片的破膜過(guò)程作如下假設(shè)：（1）膜片的破膜過(guò)程是瞬間的；（2）膜片破膜后，其開口狀態(tài)與激波管內(nèi)截面相同；（3）膜片在破壞前形狀保持為一個(gè)平面。在模型中高壓段部分與低壓段部分是直接接觸的，以此模擬膜片完成破膜時(shí)的狀態(tài)。在模型中使用理想氣體狀態(tài)方程，空氣參數(shù)如表4-2所示表4-2空氣材料參數(shù)材料溫度(K)密度(kg/m3)定容比熱容(J/(kg·K))氣體常數(shù)(J/(Kg·K))空氣293.151.205717287ABAQUS軟件中理想氣體的壓力計(jì)算公式如式（4-1）所示。按照該公式給定空氣的材料參數(shù)，即可確定氣體的初始?jí)毫Α??+??=????(???????)（4-1）??其中，??為當(dāng)前氣體壓力，????為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，??為氣體密度，??為氣體常數(shù)，??為空氣溫度，????為空氣絕對(duì)零度。靶件部分采用拉格朗日網(wǎng)格。雖然其厚度僅有0.5mm，但由于UMAT子程序僅支持實(shí)體單元，因此無(wú)法使用殼單元模擬。使用C3D8R單元建立靶件的模型，使用表4-2所示的2024-T3材料參數(shù)。將靶件被螺釘固定的部分約束全方向的位移，被夾具蓋住的部分近約束其沿軸向方向的位移，其余部分不約束。經(jīng)驗(yàn)證，該約束條件可較好地模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。對(duì)于第二種模型，將該流固耦合問(wèn)題分成流體問(wèn)題和固體問(wèn)題求解。由于激波管的加載時(shí)間極短，且靶件在未破壞時(shí)的變形較小，靶件變形對(duì)氣體流動(dòng)的影響極小，可以忽略不計(jì)。當(dāng)激波運(yùn)行到靶件處后，此處空氣幾乎靜止，對(duì)靶件產(chǎn)生的壓力即為此時(shí)空氣的靜壓。所以激波管施加給剛性靶和未破壞的變形靶的載荷可以認(rèn)為是接近一致的。所以可以使用純流體的模型得到當(dāng)靶件為剛性靶時(shí)的氣體流動(dòng)情況和載荷，并將載荷作為外載輸入到固體求解部分，用以解耦該流固耦合問(wèn)題。27 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文對(duì)于流體部分，如圖4-3所示，僅適用CEL方法建立一個(gè)流體域。由于激波管的管壁在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中近乎不變形，可以視其為剛體，而這個(gè)剛體可以用流體域的邊界條件進(jìn)行模擬。流體域使用激波管管內(nèi)空腔的參數(shù)建立，并將流體域剖分成兩個(gè)部分，分別為高壓部分和低壓部分。其邊界均采用不可流出，不可流入的邊界。采用式（4-1）的模型給出氣體參數(shù)。網(wǎng)格采用錢幣劃分的方法，其單元尺寸為2.5mm。即可獲得當(dāng)靶件作為剛性靶時(shí)，激波管內(nèi)的氣體流動(dòng)和剛性靶上的壓力信號(hào)。圖4-3數(shù)值模擬的解耦后的流體模型對(duì)于固體部分，如圖4-4所示，僅建立一個(gè)靶件的拉格朗日模型，其材料模型同樣使用鋁合金2A12-T3的材料參數(shù)，并導(dǎo)入包含2024-T3失效模型的UMAT子程序。由于在該模型中，僅有一個(gè)靶件，因此可以將網(wǎng)格進(jìn)一步細(xì)化，獲取更精確的結(jié)果。在網(wǎng)格劃分中，對(duì)于靶件加載區(qū)域使用較密的網(wǎng)格，此處網(wǎng)格單元尺寸為0.7mm。而在靶件處于固定部分的網(wǎng)格，則根據(jù)靶件加載區(qū)域邊緣的網(wǎng)格進(jìn)行掃掠劃分，距離中心越遠(yuǎn)的網(wǎng)格越稀疏，最外層網(wǎng)格單元尺寸為3mm。圖4-4數(shù)值模擬的解耦后的固體模型28 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文4.3.2兩種數(shù)值模擬模型結(jié)果對(duì)比為對(duì)比上述兩種建模方法，采用同樣的材料參數(shù)、網(wǎng)格尺寸、初始條件進(jìn)行建模，使用同一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖4-5所示。為驗(yàn)證準(zhǔn)確性，分別使用兩種建模方式對(duì)三種不同孔型及完整靶件共四種情況進(jìn)行仿真。為將計(jì)算結(jié)果分別與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，選取了三種不同孔洞的公共點(diǎn)作為特征點(diǎn)，如圖4-6所示。在選取兩個(gè)特征點(diǎn)上，使用第一種模型所得的位移最大誤差為10%，第二種模型所得的位移最大誤差為8%。表4-3給出兩種不同建模方法所需的計(jì)算時(shí)間。可以看出第二種模型的計(jì)算時(shí)間遠(yuǎn)小于第一種模型，且在計(jì)算精度上兩者幾乎相同。解耦的模型相對(duì)于流固耦合模型，誤差主要存在于解耦模型沒(méi)有考慮靶件的變形對(duì)流場(chǎng)的影響從而導(dǎo)致對(duì)其載荷的影響。a)菱形孔靶件b)圓形孔靶件c)方形孔靶件d)無(wú)孔靶件圖4-5兩種仿真模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比29 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文BA圖4-6兩種數(shù)值模擬模型對(duì)比所用特征點(diǎn)示意圖表4-3兩種仿真模式計(jì)算所用時(shí)間孔型流固耦合計(jì)算時(shí)間(s)流體部分計(jì)算時(shí)間(s)固體部分計(jì)算時(shí)間(s)解耦方法總計(jì)算時(shí)間(s)圓形孔13514579171750方形孔1010957989668菱形孔987957978657無(wú)孔152415791287074.4實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比4.4.1靶件所受的沖擊載荷在第二章中，本文曾對(duì)激波管設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定。在剛性靶上安裝的壓力傳感器可以準(zhǔn)確地測(cè)量當(dāng)前沖擊波的強(qiáng)度。采用ABAQUS軟件對(duì)安裝了剛性靶的激波管進(jìn)行仿真獲得與壓力傳感器同位置的沖擊波壓力數(shù)據(jù)如圖4-7所示。圖中給出了在不同高壓段壓力下，剛性靶處的沖擊波壓力與時(shí)間的曲線。由圖可知，當(dāng)激波運(yùn)動(dòng)到靶件時(shí)，此時(shí)壓力迅速增大到峰值，然后逐漸減小到小于0。可以看出，激波的波陣面是一個(gè)強(qiáng)間斷面，在激波后的氣體壓力會(huì)發(fā)生劇變。30 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文a)1.11MPab)2.22MPac)3.34MPad)4.45MPae)5.56MPaf)6.67MPa圖4-7沖擊波壓力與時(shí)間信號(hào)的實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果對(duì)比對(duì)比仿真與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合得較好，特別是仿真很好地還原了真實(shí)載荷中的第二個(gè)峰值。但二者在波形上仍有較小的差異。分析其誤差原因共有以下兩點(diǎn)：第一，在仿真中使用的是理想氣體的狀態(tài)方程，其相較真實(shí)氣體忽略了流體的粘性。第二，仿真中膜片的破裂的瞬間完成的，其開口面積等同于激波管的內(nèi)徑，且忽略了膜片在破壞前的變形，這與在第三章給出的聚酯薄膜在破壞前的變形、破壞過(guò)程的時(shí)間和開口面積三個(gè)因素存在較大差異。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果在壓力的峰值上相差較小，而在變形靶的變形過(guò)程中，受這個(gè)峰值的影響最大，受后續(xù)波形影響較小，所以對(duì)靶件變形的仿真中可以使用該仿真參數(shù)即可獲得與實(shí)驗(yàn)近似的載荷。31 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文觀察圖中波形，可以看出在高壓段壓力較大時(shí)，沖擊波的波形在第一次峰值過(guò)后的衰減區(qū)內(nèi)，還有一次峰值出現(xiàn)。隨著高壓段壓力的增大，第二個(gè)峰值相對(duì)于第一個(gè)峰值的差值逐漸變小。根據(jù)激波管理論可知，當(dāng)激波遇到接觸面時(shí)將根據(jù)接觸面左右兩邊氣體的狀態(tài)產(chǎn)生不同的反射和透射。當(dāng)激波遇到靶件后會(huì)向高壓段方向反射一個(gè)激波。而這個(gè)反射激波在運(yùn)動(dòng)中會(huì)與向靶件方向運(yùn)動(dòng)的高壓氣體與低壓氣體的接觸面相遇，這個(gè)激波即為從密度較小的區(qū)域進(jìn)入到密度較大的區(qū)域，此時(shí)除了繼續(xù)向高壓段方向產(chǎn)生透射波還會(huì)向靶件方向產(chǎn)生反射激波，而這個(gè)反射激波在與靶件接觸時(shí)即為在信號(hào)中出現(xiàn)的第二個(gè)峰值。為了進(jìn)一步觀察激波反射后與接觸面接觸后發(fā)生反射的現(xiàn)象，給出在激波管中不同時(shí)刻下激波管中的壓力和密度的分布圖，如圖4-8所示。通過(guò)圖4-8可以直觀地觀察到圖4-7中壓力信號(hào)的第二個(gè)峰值的形成原因。T0壓力密度T1壓力密度T2壓力密度T3壓力密度T4壓力密度T5壓力密度T6壓力密度圖例壓力密度圖4-8激波管中不同時(shí)刻壓力與密度的分布圖中共給出了7個(gè)時(shí)刻的壓力與密度的分布，使用的仿真結(jié)果對(duì)應(yīng)圖4-7(f)。觀察T0時(shí)刻，在密度分布圖中，存在著兩個(gè)強(qiáng)間斷面，第一個(gè)與壓力的強(qiáng)間斷面處于同一位置，因此該間斷面為沖擊波的波陣面，而第二個(gè)強(qiáng)間斷面則落后于第一個(gè)強(qiáng)間斷面為高壓氣體與低壓氣體的接觸面。T1時(shí)刻，沖擊波作用靶件后發(fā)生反射，形成向右移動(dòng)的沖擊波，而接觸面不受干擾，32 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文繼續(xù)向左移動(dòng)。T2、T3時(shí)刻中反射的沖擊波和接觸面繼續(xù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。到T4時(shí)刻時(shí)，沖擊波與接觸面接觸，可觀察出在該處向左再次反射一個(gè)沖擊波，并向右透射一個(gè)沖擊波。而此時(shí)接觸面受到干擾，氣體密度迅速增大后向左向右擴(kuò)散。T5時(shí)刻可以看到與接觸面接觸后反射的沖擊波繼續(xù)向左運(yùn)動(dòng)。T6時(shí)刻第二次反射的沖擊波作用于靶件上，并再一次發(fā)生反射。從表2-1可知，沖擊波的波速與高壓氣室內(nèi)氣體的初始?jí)毫Τ收?。同樣地，接觸面的速度與高壓氣室內(nèi)氣體的初始?jí)毫σ彩钦嚓P(guān)的，但速度小于沖擊波的波速。所以當(dāng)高壓氣室內(nèi)氣體的初始?jí)毫υ礁邥r(shí)，沖擊波和接觸面的移動(dòng)速度越快，而反射激波的速度也越快，反射激波與接觸面相遇所需時(shí)間也越短，因此，在圖7中第二個(gè)峰值與第一個(gè)峰值的間隔也越小。而兩個(gè)峰值的間隔較小時(shí)，壓力的衰減程度較小，所以第二個(gè)峰值的壓力較大。同樣地，當(dāng)高壓氣室內(nèi)氣體的初始?jí)毫υ叫r(shí)，兩個(gè)峰值的間隔越大，第二峰值的壓力越小。4.4.2預(yù)制孔鋁板的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為了研究預(yù)制孔靶件受沖擊波作用下的響應(yīng)，對(duì)每一種孔型的靶件采用了不同強(qiáng)度的沖擊波進(jìn)行加載，獲得了預(yù)制孔靶件從小變形至大變形，再至破壞的結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)中共進(jìn)行了18組實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)和結(jié)果如表4-4所示。為了得到預(yù)制孔靶件與完整靶件在承受相同壓力時(shí)響應(yīng)的異同，在實(shí)驗(yàn)中選擇性地對(duì)完整靶件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣如表4-4所示。33 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文表4-4實(shí)驗(yàn)情況實(shí)驗(yàn)序號(hào)靶件形式?jīng)_擊波壓力(MPa)沖擊波波速(m/s)靶件失效形式1菱形孔靶件0.70578未失效2菱形孔靶件1.13725未失效3菱形孔靶件1.99731開裂4菱形孔靶件2.12746開花破壞5圓形孔靶件0.94607未失效6圓形孔靶件1.57681未失效7圓形孔靶件1.99731未失效8圓形孔靶件2.18753開裂9圓形孔靶件2.36774開花破壞10方形孔靶件0.93606未失效11方形孔靶件1.94725未失效12方形孔靶件2.04737開裂13方形孔靶件2.16750開花破壞14無(wú)孔靶件1.33653未失效15無(wú)孔靶件1.64689未失效16無(wú)孔靶件2.04737未失效17無(wú)孔靶件2.24760未失效18無(wú)孔靶件2.36774未失效對(duì)于三種不同孔型的靶件，于表4-4中分別選取了失效和未失效兩種狀態(tài)中的一種實(shí)驗(yàn)情況，給出靶件變形的數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，如圖4-9所示。34 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文a)序號(hào)2b)序號(hào)5c)序號(hào)10d)序號(hào)4e)序號(hào)9f)序號(hào)13圖4-9靶件變形結(jié)果的實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比。圖中可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果在這兩種狀態(tài)下吻合的較好。對(duì)于未失效狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的變形大致相同，具體的對(duì)比在后文給出。對(duì)于失效狀態(tài)，可以看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的失效模式和裂紋均相差不大?？梢哉J(rèn)為仿真結(jié)果是可靠的。35 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文4.5本章小結(jié)本章通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究了預(yù)制孔靶件在受到?jīng)_擊載荷作用下的變形規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)中，使用激波管產(chǎn)生不同壓力的沖擊波對(duì)靶件進(jìn)行加載，使用兩臺(tái)高速攝像機(jī)同步拍攝靶件背面的變形歷程，使用三維-DIC技術(shù)獲得靶件背面在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的位移場(chǎng)。在數(shù)值模擬中，使用ABAQUS軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真，使用了流固耦合模型及解耦后的流體模型和固體模型。將流固耦合模型的計(jì)算結(jié)果與解耦后的模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，展示了解耦計(jì)算在計(jì)算時(shí)間上的優(yōu)越性，分析了誤差產(chǎn)生的原因，并驗(yàn)證了將模型解耦的可行性。將數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。36 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第5章預(yù)制孔鋁板受沖擊載荷作用下的變形規(guī)律分析5.1引言為進(jìn)一步研究靶件的變形規(guī)律，需要選取靶件上具有代表性的特征進(jìn)行分析。在本章節(jié)中采用分析靶件截面曲線和特征點(diǎn)的方法。通過(guò)分析靶件的截面曲線，可以獲得靶件整體變形的規(guī)律，而分析靶件上特征點(diǎn)的變化情況，可以獲得靶件上關(guān)鍵點(diǎn)處的變形特征。結(jié)合上一章中獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以獲得靶件的位移場(chǎng)。而數(shù)值模擬結(jié)果不僅可以獲得位移場(chǎng)，還可以獲得靶件的應(yīng)力場(chǎng)，且所得數(shù)據(jù)更加全面、完整。所以在分析截面曲線和特征點(diǎn)時(shí)，同步給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果。5.2靶件截面曲線的變化規(guī)律5.2.1靶件截面曲線的選取截面曲線的選取對(duì)于研究靶件整體變形的規(guī)律至關(guān)重要，因此需根據(jù)靶件的特征選取合適的截面曲線。從圖4-1可知靶件孔洞的分布呈十字形，且靶件的加載區(qū)域?yàn)閳A形，若以靶件中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，則靶件分別關(guān)于其x軸和y軸鏡像對(duì)稱。圖5-1給出三種不同孔洞的靶件的Mises等效應(yīng)力分布圖，從圖中可以看出，應(yīng)力主要集中在孔洞的周圍及中心孔與其余四孔的連線上。對(duì)于菱形孔和方形孔，應(yīng)力主要集中在孔洞的四個(gè)角點(diǎn)處，在孔洞的邊上應(yīng)力較小。但是對(duì)于圓孔，由于孔洞上沒(méi)有角點(diǎn)存在，所以應(yīng)力幾乎均布于整個(gè)孔洞的邊緣，僅在相鄰孔洞連線處略大。a)菱形孔靶件b)圓形孔靶件c)方形孔靶件圖5-1三種不同孔洞靶件的Mises等效應(yīng)力云圖由此，選取的兩條截面曲線如圖5-2所示。這兩條截面曲線與豎直方向夾角分別為0°和45°。這兩條截面曲線均穿過(guò)靶件的中心點(diǎn)，夾角為45°。其中一條截面曲線穿過(guò)三個(gè)預(yù)制孔洞的中心，這條截面曲線所在位置是整個(gè)靶件加載區(qū)域中缺口最為集中的一條37 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文曲線，也是直觀上最容易發(fā)生破壞的曲線。另一條截面曲線僅穿過(guò)中心的孔洞，且其與其余四個(gè)孔洞距離最遠(yuǎn)，此處也是直觀上最穩(wěn)定的曲線。0°角的截面曲線位于應(yīng)力集中的線上，而45°角的截面曲線則是距離應(yīng)力集中區(qū)域最遠(yuǎn)處。兩條截面曲線分別代表了該靶件上最易發(fā)生破壞和最穩(wěn)定的兩個(gè)截面，因此可以較好地反應(yīng)出靶件的整體變形規(guī)律。0°截面曲線45°截面曲線45°圖5-2靶件截面曲線示意圖5.2.2靶件截面曲線的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析由于靶件在失效后，DIC所得結(jié)果會(huì)在發(fā)生破裂的地方缺失，而數(shù)值模擬結(jié)果在靶件失效后，單元會(huì)刪除，這對(duì)于分析靶件的變形較為不利。所以，選取靶件并未失效的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果分析靶件的變形規(guī)律。如圖5-3~5-6所示，分別給出了三種不同孔型的靶件和完整的靶件在未失效的情況下，從未變形到達(dá)到最大變形這一階段中，兩條截面曲線的變化情況。其中，因?yàn)橥暾屑禽S對(duì)稱的，在圖5-6中僅給出一條截面曲線。由于靶件的撓度相對(duì)于靶件的大小較小，為了清晰地表示出截面曲線的變形情況，在圖像中x軸與y軸并沒(méi)有保持1:1的比例。圖中，各條曲線間隔時(shí)間即為高速攝像機(jī)相鄰兩張照片間隔時(shí)間，具體為19.84μs。38 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文t=119.04μst=119.04μst=79.36μst=99.20μst=79.36μst=99.20μst=39.68μst=59.52μst=39.68μst=59.52μst=19.84μst=19.84μst=0μst=0μsa)0°截面曲線b)45°截面曲線圖5-3菱形孔靶件的兩條截面曲線t=119.04μst=138.88μst=119.04μst=138.88μst=79.36μst=99.20μst=79.36μst=99.20μst=39.68μst=59.52μst=39.68μst=59.52μst=19.84μst=19.84μst=0μst=0μsa)0°截面曲線b)45°截面曲線圖5-4圓形孔靶件的兩條截面曲線t=119.04μst=119.04μst=79.36μst=99.20μst=79.36μst=99.20μst=39.68μst=59.52μst=39.68μst=59.52μst=19.84μst=19.84μst=0μst=0μsa)0°截面曲線b)45°截面曲線圖5-5方形孔靶件的兩條截面曲線39 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文t=119.04μst=79.36μst=99.20μst=39.68μst=59.52μst=19.84μst=0μs圖5-6無(wú)孔靶件的截面曲線僅觀察截面曲線的變化情況可以看出，截面在剛開始發(fā)生變化時(shí)，其邊緣處呈一段斜線而中間部分保持平面狀態(tài)并逐漸沿受力方向移動(dòng)，呈一梯形狀態(tài)。隨著中心部分的位移逐漸增大，曲線兩側(cè)的斜線逐漸延長(zhǎng)，其斜率逐漸增大，但其中間處仍基本保持為一條水平線且寬度逐漸縮短，兩側(cè)斜線與曲線中部近似水平線的連接處為一段弧線，且其最高點(diǎn)超過(guò)曲線中部。隨著曲線中部的寬度逐漸縮短，其變形速度加快，迅速達(dá)到最大變形的位置，整條截面曲線呈現(xiàn)為錐形。對(duì)比圖中實(shí)驗(yàn)和仿真度結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)和仿真吻合得較好。在變形的趨勢(shì)上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果是相同的，可以驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性。在初始變形時(shí)，二者幾乎完全重合，在后續(xù)變形中，二者同樣吻合較好，但仍存在一定的誤差，可以認(rèn)為是由于在變形速率較快時(shí)，相機(jī)的幀率較低導(dǎo)致圖片略有模糊，以致于DIC處理發(fā)生誤差。且由于DIC技術(shù)對(duì)于孔洞周圍處理時(shí)容易失效，在圖中明顯看出實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果的孔洞大小大于數(shù)值模擬所得的結(jié)果。因此在后續(xù)分析中，僅采用仿真結(jié)果進(jìn)行分析較為簡(jiǎn)便和直觀，且同樣可以準(zhǔn)確反應(yīng)截面曲線的變化規(guī)律。5.2.3截面曲線間對(duì)比分析為分析兩條截面曲線的差異，將同一時(shí)刻的兩條截面曲線放在一張圖中進(jìn)行對(duì)比，如圖5-7。圖中給出菱形孔，圓孔和方孔靶件在壓力為2MPa的沖擊波載荷下的截面曲線，對(duì)于同一時(shí)刻分別使用不同線型給出兩條截面曲線。相鄰兩條截面曲線間隔時(shí)間為15μs。40 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文t=119.04μst=119.04μst=119.04μst=119.04μst=79.36μst=99.20μst=79.36μst=99.20μst=39.68μst=59.52μst=39.68μst=59.52μst=19.84μst=19.84μst=0μst=0μsa)菱形孔靶件b)圓形孔靶件t=119.04μst=119.04μst=79.36μst=99.20μst=39.68μst=59.52μst=19.84μst=0μsc)方形孔靶件圖5-7兩條截面曲線對(duì)比仔細(xì)觀察圖中兩條截面曲線的對(duì)比可以看出，兩條截面曲線近乎相同，但在0°截面曲線在孔洞邊緣處的撓度略大于45°的截面曲線。對(duì)比(a)(b)(c)三圖，圖5-7(a)中的截面曲線的撓度相較其余兩圖略大，在數(shù)值模擬的結(jié)果中，菱形孔靶件此時(shí)出現(xiàn)了裂縫。這也符合了在上一節(jié)中給出的，菱形孔靶件最容易破壞這一結(jié)論。將具有預(yù)制孔靶件的截面曲線與完整靶件的截面曲線對(duì)比分析，如圖5-8。圖中預(yù)制孔靶件的截面曲線選取0°截面曲線，相鄰兩條曲線間隔15μs。41 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文t=119.04μst=119.04μst=119.04μst=119.04μst=79.36μst=99.20μst=79.36μst=99.20μst=39.68μst=59.52μst=39.68μst=59.52μst=0μst=19.84μst=19.84μst=0μsa)菱形孔靶件b)圓形孔靶件t=119.04μst=119.04μst=79.36μst=99.20μst=39.68μst=59.52μst=19.84μst=0μsc)方形孔靶件圖5-8預(yù)制孔靶件與完整靶件截面曲線對(duì)比從圖中可以看出，在變形較小時(shí)，有預(yù)制孔靶件的截面曲線與完整靶件的截面曲線幾乎相同。但隨著變形的逐漸增大，預(yù)制孔靶件的截面曲線的撓度明顯超過(guò)完整靶件的截面曲線的撓度。兩種靶件的截面曲線的差異主要集中在孔洞的邊緣處。5.2.4截面曲線上的Mises等效應(yīng)力分布因?yàn)檫@兩條截面曲線代表了靶件上應(yīng)力集中的區(qū)域和最遠(yuǎn)離應(yīng)力集中的區(qū)域，所以給出靶件在即將出現(xiàn)裂紋時(shí)兩條截面曲線上的Mises應(yīng)力分布是有意義的。如圖5-9所示，分別給出菱形孔，圓形孔和方形孔靶件在出現(xiàn)裂紋前一刻兩條截面曲線上的Mises應(yīng)力分布。42 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文t=119.04μst=119.04μsa)菱形孔靶件b)圓形孔靶件t=119.04μsc)方形孔靶件圖5-9截面曲線上的Mises應(yīng)力分布可以看出，三種不同的孔型導(dǎo)致截面曲線上的應(yīng)力分布明顯不同。對(duì)于菱形孔靶件，45°截面曲線上的應(yīng)力明顯小于0°截面曲線上的應(yīng)力。45°截面曲線經(jīng)過(guò)中心孔邊上的中點(diǎn)，在該處應(yīng)力下降明顯。與之相對(duì)的0°截面曲線經(jīng)過(guò)中心孔和邊上兩孔的對(duì)角線，可以看出，在菱形孔的角點(diǎn)應(yīng)力顯著上升。0°截面曲線經(jīng)過(guò)兩孔之間的部分的應(yīng)力也明顯大于45°截面曲線在同一位置的應(yīng)力。兩種截面曲線的應(yīng)力在靶件的外圍近似相等。對(duì)于圓形孔靶件，與菱形孔靶件類似，0°截面曲線上的應(yīng)力均大于45°截面曲線上的應(yīng)力，在圓孔的邊緣可以明顯地看出應(yīng)力上升。但與菱形孔不同，圓孔不存在角點(diǎn)，因此在45°截面曲線上圓孔的邊緣處可以看到應(yīng)力的上升而不是下降。對(duì)于方形孔靶件，其規(guī)律與前兩者顯著不同。在45°截面曲線上，由于曲線穿過(guò)中心孔的角點(diǎn)，因此最大應(yīng)力出現(xiàn)在該曲線上中心孔的邊緣處。而0°截面曲線分別穿過(guò)中心孔和周圍孔邊上的中點(diǎn)，因此在該曲線上孔的邊緣處應(yīng)力顯著下降。但是，0°截面曲線上的應(yīng)力在兩孔之間的部分仍顯著大于45°截面曲線。對(duì)比三圖可以看出，在靶件的中心處即五個(gè)孔的范圍內(nèi)，受孔型的影響，靶件的應(yīng)力分布差異巨大，但在距離五孔較遠(yuǎn)處，兩條截面曲線上的應(yīng)力幾乎相同。綜上，可以認(rèn)為：預(yù)制孔靶件在變形的前一段時(shí)間中與完整靶件的變形是基本相同的，但在后一段時(shí)間中，預(yù)制孔靶件的變形明顯大于完整靶件的變形。孔型對(duì)于應(yīng)力在43 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文靶件中心處的分布存在著極大的影響，但在靶件較邊緣處影響極小。最大應(yīng)力出現(xiàn)在中心孔的角點(diǎn)上，若中心孔無(wú)角點(diǎn)存在，則出現(xiàn)于中心孔與周圍孔相對(duì)的位置上。中心孔與周圍孔相連的直線上明顯出現(xiàn)應(yīng)力集中。5.3靶件特征點(diǎn)的變化規(guī)律5.3.1靶件特征點(diǎn)的選取為進(jìn)一步研究預(yù)制孔靶件的變形規(guī)律，在孔洞的邊緣處選取具有代表性的特征點(diǎn)進(jìn)行分析。菱形孔和方形孔分別為圓形孔的內(nèi)接正方形和外接正方形，且它們的交點(diǎn)重合，因此將該點(diǎn)作為特征點(diǎn)可以準(zhǔn)確地反應(yīng)靶件的變形規(guī)律。如圖5-10所示，圖中標(biāo)注的A、B、C三點(diǎn)均位于三種不同孔洞的交點(diǎn)處，D點(diǎn)處于方形孔的角點(diǎn)上。CDBA圖5-10靶件特征點(diǎn)示意圖5.3.2靶件在特征點(diǎn)處的位移規(guī)律利用數(shù)值模擬的結(jié)果，給出靶件不發(fā)生破裂的情況下，A、B、C三點(diǎn)的位移—時(shí)間曲線，并同步給出對(duì)應(yīng)的壓力加載信號(hào)。如圖5-11，給出三種預(yù)制孔靶件上特征點(diǎn)在不同壓力下的位移歷程。圖中給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)DIC處理后獲得的A、B、C三點(diǎn)的最大位移。44 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文a)菱形孔靶件:1.05MPab)菱形孔靶件:1.99MPac)圓形孔靶件:0.94MPad)圓形孔靶件:1.99MPae)方形孔靶件:0.94MPaf)方形孔靶件:2.04MPa圖5-11特征點(diǎn)處位移及對(duì)應(yīng)的壓力信號(hào)觀察圖中數(shù)據(jù)可以看出，所選特征點(diǎn)在不同的孔型、壓力條件下的變形過(guò)程是相似的，均是隨著沖擊波壓力的突變而迅速達(dá)到其最大撓度處，而后在持續(xù)震蕩中逐漸降低。由塑性動(dòng)力學(xué)的知識(shí)可以解釋：靶件在受到?jīng)_擊載荷后會(huì)發(fā)生塑性變形，但當(dāng)載荷降低后，靶件會(huì)出現(xiàn)彈性恢復(fù)的現(xiàn)象，而后在殘余塑性變形的基礎(chǔ)上做彈性震蕩，逐漸衰減直至停止。對(duì)比同一種孔型不同壓力的情況可以看出，當(dāng)沖擊波壓力較弱時(shí)彈性震蕩較為劇烈，而沖擊波較強(qiáng)時(shí)，其震蕩幅度反而較小。對(duì)比圖中壓力信號(hào)與特征點(diǎn)的撓度可以看出，壓力信號(hào)的峰值均發(fā)生在特征點(diǎn)撓度45 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文的峰值之前，靶件的變形存在一定的滯后性。沖擊波產(chǎn)生的突變壓力信號(hào)是導(dǎo)致靶件發(fā)生變形的主要原因，可以看出，當(dāng)壓力信號(hào)的峰值過(guò)去后，壓力逐漸衰減，而此時(shí)特征點(diǎn)的撓度在達(dá)到峰值后開始震蕩減小，靶件發(fā)生彈性震蕩。但在靶件彈性震蕩時(shí)，靶件仍承受較大的壓力，顯然此時(shí)的壓力并不足以使得靶件發(fā)生大變形。觀察圖中壓力信號(hào)的第二個(gè)峰值，對(duì)比特征點(diǎn)的位移可以看出，當(dāng)壓力第二次發(fā)生突變時(shí)，特征點(diǎn)的撓度會(huì)發(fā)生明顯的上升。對(duì)比左側(cè)圖片，較小壓力的沖擊波仍使靶件發(fā)生較大塑性變形，但在右側(cè)沒(méi)有突變的壓力差時(shí)，靶件僅發(fā)生彈性震蕩。因此可以認(rèn)為：突變的壓力會(huì)使得靶件發(fā)生顯著的變形，逐漸變化的壓力僅能使靶件發(fā)生小幅震蕩。對(duì)比實(shí)驗(yàn)和仿真的結(jié)果，可以看出，實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果吻合的較好。但是由于DIC技術(shù)對(duì)于孔洞邊緣的識(shí)別存在一定的誤差，DIC所劃分的網(wǎng)格無(wú)法完美貼合孔洞的邊緣，因此，DIC所得的特征點(diǎn)其實(shí)距孔洞的邊緣有一定的距離，從而其位移相較仿真略小。對(duì)比三個(gè)特征點(diǎn)所得的信號(hào)，點(diǎn)A的撓度明顯大于其余兩點(diǎn)，而點(diǎn)B的撓度略大于點(diǎn)C，當(dāng)沖擊波的壓力越大時(shí)，三點(diǎn)之間撓度的差值也越大。這與前一節(jié)中分析靶件的失效模式中應(yīng)力集中情況相吻合。聯(lián)系前一小節(jié)中的截面曲線可以看出，A點(diǎn)和B點(diǎn)均位于0°截面曲線上，A點(diǎn)和B點(diǎn)的撓度隨時(shí)間變化的曲線也可以代表0°截面曲線的撓度在達(dá)到峰值后的變化情況。沿縱向觀察圖5-11，分別對(duì)比(a)(c)(e)三圖和(b)(d)(f)三圖，可以看出，在沖擊波壓力大致相等的情況下，不同孔型特征點(diǎn)的撓度呈以下規(guī)律：菱形孔靶件>方形孔靶件>圓形孔靶件。這與不同孔型靶件的臨界壓力的規(guī)律吻合。5.3.3靶件在特征點(diǎn)處的Mises等效應(yīng)力為進(jìn)一步觀察靶件的變形規(guī)律，給出特征點(diǎn)處的Mises等效應(yīng)力隨時(shí)間的變化過(guò)程，如圖5-12所示。對(duì)比上一節(jié)中靶件裂紋出現(xiàn)的位置均在中心孔的邊緣處，因此，僅給出菱形孔和圓形孔靶件在特征點(diǎn)A處、方形孔在特征點(diǎn)D處的Mises等效應(yīng)力隨時(shí)間的變化過(guò)程。在圖中對(duì)比給出完整靶件于特征點(diǎn)A和特征點(diǎn)D處的Mises等效應(yīng)力。46 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文a)特征點(diǎn)Ab)特征點(diǎn)D圖5-12特征點(diǎn)處的Mises等效應(yīng)力從圖中可以看出，在特征點(diǎn)A和D處，預(yù)制孔洞靶件的等效應(yīng)力均大于完整靶件的。當(dāng)?shù)刃?yīng)力峰值過(guò)后，完整靶件的等效應(yīng)力迅速震蕩下降，最終穩(wěn)定于20MPa左右。而預(yù)制孔靶件的等效應(yīng)力在峰值過(guò)后仍發(fā)生大幅度震蕩，而后逐漸穩(wěn)定，其穩(wěn)定數(shù)值與預(yù)制孔孔型有關(guān)。穩(wěn)定后的等效應(yīng)力從大至小依次為：菱形孔靶件，方形孔靶件，圓形孔靶件。其中，菱形孔靶件的等效應(yīng)力明顯大于其余兩種孔型的靶件。這與前一節(jié)中各種靶件的臨界破壞壓力的分布相符。為進(jìn)一步分析預(yù)制孔靶件的應(yīng)力集中效應(yīng)，現(xiàn)引入動(dòng)態(tài)應(yīng)力集中系數(shù)來(lái)表示在孔洞周圍等效應(yīng)力的集中度，如式（5-1）所示。????=????????(??)/??0(??)（5-1）式中，????為動(dòng)態(tài)應(yīng)力集中系數(shù)，????????(??)為預(yù)制孔靶件在t時(shí)刻于特征點(diǎn)上的Mises等效應(yīng)力，??0(??)為完整靶件在t時(shí)刻于特征點(diǎn)上的Mises等效應(yīng)力。通過(guò)式（5-1）給出菱形孔和圓形孔靶件在特征點(diǎn)A的動(dòng)態(tài)應(yīng)力集中系數(shù)和方形孔靶件在特征點(diǎn)D的動(dòng)態(tài)應(yīng)力集中系數(shù)，如圖5-13所示。圖5-13三種預(yù)制孔靶件的動(dòng)態(tài)應(yīng)力集中系數(shù)47 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文對(duì)比圖5-12與圖5-13可知，在靶件的變形初期Mises等效應(yīng)力波動(dòng)劇烈，相對(duì)地此時(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)力集中系數(shù)也存在極大的波動(dòng)，這是由于應(yīng)力波在預(yù)制孔靶件中反復(fù)反射傳播導(dǎo)致的。在靶件的變形后期，Mises趨于平穩(wěn)，此時(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)力集中系數(shù)也較為平穩(wěn)。由圖可知，方形孔靶件的動(dòng)態(tài)應(yīng)力集中系數(shù)最大，其次是菱形孔靶件，最小的是圓形孔靶件，但三者相差不大。動(dòng)態(tài)應(yīng)力集中系數(shù)反映了動(dòng)態(tài)應(yīng)力在該點(diǎn)的集中程度。所以相較完整靶件，預(yù)制孔靶件會(huì)在孔洞的邊緣處發(fā)生顯著的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致預(yù)制孔靶件極易發(fā)生破裂。5.4靶件的失效模式在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)靶件施加不同強(qiáng)度的沖擊波，可以得到靶件從小變形到大變形，從不失效到失效的響應(yīng)。而靶件的失效模式與其承受的沖擊波的壓力有關(guān)。受實(shí)驗(yàn)條件限制，本文僅考慮當(dāng)壓力剛超過(guò)靶件承受能力時(shí)的失效模式，如圖5-14~5-17所示。t=0μst=20μst=60μst=120μsa)相機(jī)照片b)DIC結(jié)果c)仿真結(jié)果圖5-14菱形孔靶件受2.12MPa沖擊波的變形圖48 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文t=0μst=40μst=80μst=160μsa)相機(jī)照片b)DIC結(jié)果c)仿真結(jié)果圖5-15圓形孔靶件受2.36MPa沖擊波的變形圖圖5-14，圖5-15和圖5-16分別給出菱形孔，圓形孔和方形孔三種不同孔型的在所受沖擊波壓力超過(guò)靶件承載極限后靶件從開始變形至裂紋完全出現(xiàn)的過(guò)程。對(duì)每一種孔型分別給出了相機(jī)照片，3D-DIC處理的位移圖和仿真結(jié)果。三種靶件完全破壞的圖像于圖5-17給出。圖5-18給出完整靶件受壓力位2.36MPa的沖擊波的變形，同樣給出照片，DIC位移結(jié)果和仿真結(jié)果。觀察圖中DIC結(jié)果，在靶件沒(méi)有發(fā)生破壞時(shí)，3D-DIC技術(shù)可以給出靶件變形的位移場(chǎng)。但在靶件破壞時(shí)，由于碎片速度較大且受相機(jī)性能及光源條件的約束，無(wú)法獲得足夠清晰的圖像，3D-DIC技術(shù)無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。在靶件的邊緣處由于靶件變形后相對(duì)于相機(jī)的夾角變大，且受夾具的影響，DIC技術(shù)誤差較大，超過(guò)可以接受的范圍。對(duì)比相機(jī)圖片，DIC結(jié)果和仿真結(jié)果，可以看出，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，使用DIC所得位移與仿真所得位移相比較，可以看出，在DIC有效的部分，與仿真結(jié)果基本相同。所以可以確認(rèn)仿真是準(zhǔn)確的。49 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文t=0μst=40μst=80μst=160μsa)相機(jī)照片b)DIC結(jié)果c)仿真結(jié)果圖5-16方形孔靶件受2.16MPa沖擊波的變形圖a)菱形孔靶件b)圓形孔靶件c)方形孔靶件圖5-17三種靶件破壞時(shí)的變形50 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文t=0μst=60μst=80μst=120μsa)相機(jī)照片b)DIC結(jié)果c)仿真結(jié)果圖5-18完整靶件受2.36MPa沖擊波的變形圖觀察靶件失效的過(guò)程，可以看出菱形孔的靶件于中心孔的四角處產(chǎn)生裂紋，然后擴(kuò)展至與之相對(duì)的四個(gè)外側(cè)孔洞，形成十字裂紋，而后發(fā)生花瓣形破壞。方形孔的靶件也于中心孔的四角處產(chǎn)生裂紋并向周圍孔洞延伸。可能由于沖擊波的強(qiáng)度超過(guò)靶件的承載能力較少，且靶件加工過(guò)程中的精度誤差，導(dǎo)致其并非完全對(duì)稱。裂紋在產(chǎn)生后向離其最近的一個(gè)孔洞方向延伸，最后的裂紋均形成于孔洞間最近的兩個(gè)角點(diǎn)間。從圖中可以看出，中心孔洞與右側(cè)和上側(cè)的孔洞之間形成了裂紋，并發(fā)生花瓣型破裂。觀察圓形孔洞的靶件，由于圓形不存在角點(diǎn)，其裂紋產(chǎn)生于中心孔與其余四孔距離最近的四個(gè)點(diǎn)處。裂紋在產(chǎn)生后，沿兩孔之間的連線擴(kuò)展，而后同樣發(fā)生花瓣形破壞。將三種不同孔型的靶件的失效模式相比較，可以認(rèn)為：裂紋的產(chǎn)生均位于中心孔與其余四孔的連線上，均發(fā)生花瓣形破壞。與圖5-1靶件上的Mises等效應(yīng)力云圖相比較，可以看出，裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展均發(fā)生于Mises等效應(yīng)力最集中的區(qū)域。由于數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，采用數(shù)值模擬的方法給出這三種靶件發(fā)生破裂的臨界壓力。如圖5-19所示，三種不同孔型的靶件在剛發(fā)生破裂時(shí)的變形及所對(duì)應(yīng)的沖擊波的壓力。51 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文a)菱形孔靶件(1.84MPa)b)圓形孔靶件(2.18MPa)c)方形孔靶件(2.04MPa)圖5-19三種不同孔型靶件臨界破壞時(shí)位移云圖對(duì)比三種靶件破壞時(shí)的壓力可以看出，菱形的孔最容易破壞，方形的其次，圓形的最不容易。從圖4-1三種孔型的尺寸可知，菱形孔的面積最小，圓形的其次，方形的最大。但其破壞壓力的趨勢(shì)顯然與面積的趨勢(shì)不相符。所以可以認(rèn)為：在孔洞分布相同的條件下，孔型對(duì)于靶件承受沖擊波能力的影響遠(yuǎn)大于孔洞面積的影響。5.5本章小結(jié)本章采用截面曲線和特征點(diǎn)的方法分析了靶件的變形規(guī)律。提出數(shù)值模擬結(jié)果中的兩條截面曲線，給出了靶件在受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)從開始變形到最大變形的變形規(guī)律。選取了靶件孔洞邊緣的三個(gè)特征點(diǎn)，給出了特征點(diǎn)的撓度—時(shí)間變化曲線，并與沖擊波產(chǎn)生的壓力信號(hào)同步對(duì)比，分析了特征點(diǎn)撓度變化和壓力信號(hào)的關(guān)系。對(duì)比了三個(gè)特征點(diǎn)在近似相同的壓力下的撓度變化規(guī)律，分析了孔型對(duì)特征點(diǎn)的撓度變化的影響。通過(guò)給出三種不同孔洞靶件的特征點(diǎn)的Mises等效應(yīng)力，并對(duì)比完整靶件在同一位置的Mises等效應(yīng)力，給出了三種不同孔洞靶件在中心孔的角點(diǎn)處的動(dòng)態(tài)應(yīng)力集中系數(shù)隨時(shí)間的變化。以此分析了預(yù)制孔洞靶件易發(fā)生破壞的原因。給出了實(shí)驗(yàn)和仿真在靶件失效時(shí)的結(jié)果對(duì)比，分析了不同預(yù)制孔孔型的靶件的失效模式。給出了不同預(yù)制孔孔型的靶件的臨界破壞壓力。52 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文結(jié)論1全文總結(jié)本文通過(guò)使用激波管作為主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以高速攝像機(jī)，壓力傳感器，示波器等作為采集設(shè)備，進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。對(duì)于激波管的膜片，使用萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)拉伸機(jī)獲得了聚酯薄膜在橫、縱兩個(gè)方向上的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，從而得到聚酯薄膜在這兩個(gè)方向上的拉伸強(qiáng)度和斷裂模式。使用壓力傳感器測(cè)得不同厚度的膜片在破壞時(shí)的壓力，從而得到膜片的承載能力與其厚度呈線性關(guān)系這一結(jié)論。使用高速攝像機(jī)記錄了膜片從開始變形到破壞的過(guò)程，并使用DIC分析軟件獲得了膜片的位移場(chǎng)，以此分析出膜片在變形過(guò)程中的規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)了膜片在接近破壞時(shí)會(huì)發(fā)生反翹這一特殊的現(xiàn)象。使用數(shù)學(xué)公式歸納了膜片在從開始變形至破壞過(guò)程的變形規(guī)律。同樣使用高速攝像機(jī)拍攝了膜片的破壞過(guò)程，得到了其破膜時(shí)間和開口面積，為使用理論計(jì)算激波管的參數(shù)提供了條件。使用激波管對(duì)剛性靶板和傳感器進(jìn)行多次不同壓力的加載后，獲得了激波管高壓氣室和壓力和激波管產(chǎn)生的激波的波速、壓力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。使用激波管產(chǎn)生沖擊波對(duì)分別預(yù)置了菱形孔、圓形孔和方形孔的2A12-T3鋁合金靶件進(jìn)行加載，并使用兩臺(tái)高速攝像機(jī)對(duì)靶件進(jìn)行拍攝后經(jīng)DIC處理，獲得了不同預(yù)制孔洞的靶件在受到不同壓力的沖擊波作用的變形。采用ABAQUS軟件對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真，得到與實(shí)驗(yàn)相吻合的數(shù)值模擬結(jié)果，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。在ABAQUS軟件中分別采用流固耦合模型和解耦模型對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真，對(duì)比了兩種模型計(jì)算結(jié)果，得到了兩種模型在求解精度上大致相等，但解耦模型的求解速度顯著快于流固耦合模型的結(jié)論。對(duì)比使用實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)預(yù)制孔靶件在沖擊載荷作用下的響應(yīng)進(jìn)行了分析，給出了預(yù)制孔靶件在沖擊載荷作用下的失效模式并分析其原因。從實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果中提取預(yù)制孔靶件和完整靶件的截面曲線進(jìn)行分析，獲得了靶件從開始變形到最大變形這一階段的變形規(guī)律。選取了靶件上具有代表性的特征點(diǎn)進(jìn)行分析，獲得了未產(chǎn)生裂紋的靶件在整個(gè)加載過(guò)程中的響應(yīng)，計(jì)算出了特征點(diǎn)處的應(yīng)力集中系數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律，給出了預(yù)制孔靶件相較完整靶件容易產(chǎn)生裂紋，發(fā)生破壞的原因。2本文的主要結(jié)論本文的主要結(jié)論如下：(1)聚酯薄膜作為激波管的膜片其承受的最大壓力與其厚度成正比。(2)聚酯薄膜作為激波管的膜片在接近破壞時(shí)會(huì)發(fā)生圓弧反翹的現(xiàn)象。53 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文(3)預(yù)制孔靶件在受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)，其孔洞的角點(diǎn)會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，若為圓孔，則在該孔與其他孔最近處發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。(4)靶件受沖擊載荷作用時(shí)，其變形主要與沖擊載荷造成的突變的壓力有關(guān)，而與載荷中連續(xù)變化的壓力基本無(wú)關(guān)。(5)靶件的臨界破壞壓力從大至小排序?yàn)椋和暾屑?，圓形孔靶件，方形孔靶件，菱形孔靶件。3本文的創(chuàng)新之處(1)本文通過(guò)對(duì)聚酯薄膜作為激波管膜片變形過(guò)程的研究，得到了膜片在變形過(guò)程中的規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)了膜片在臨界破壞時(shí)會(huì)發(fā)生圓弧反翹的現(xiàn)象。(2)本文通過(guò)對(duì)以十字形分布的菱形孔、圓形孔和方形孔三種不同的預(yù)制孔鋁板受沖擊載荷的實(shí)驗(yàn)，得到了菱形孔靶件最易破壞，方形孔靶件其次，圓形孔靶件最難破壞的結(jié)論。(3)本文通過(guò)使用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合的方法獲得了預(yù)制孔靶件在沖擊載荷作用下的應(yīng)力集中規(guī)律：存在角點(diǎn)的孔洞在角點(diǎn)處會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中，而圓形孔洞的應(yīng)力集中發(fā)生在該孔與其余孔最近處。4研究展望盡管本文從實(shí)驗(yàn)和仿真的角度研究了預(yù)制孔靶件在沖擊載荷作用下的響應(yīng)，得到了一定的變形規(guī)律，但作者認(rèn)為還有以下幾點(diǎn)可以改進(jìn)：(1)本文獲得了激波管膜片的變形規(guī)律及其破膜時(shí)間和開口面積。在后續(xù)工作中可以采用理論計(jì)算的方式研究激波管膜片的變形、破膜時(shí)間和開口面積對(duì)形成激波的參數(shù)的影響。(2)本文僅考慮了孔型對(duì)靶件承載能力的影響，并沒(méi)有涉及到孔洞面積、不同的分布方式、孔洞數(shù)量等因素對(duì)靶件承載能力的影響。在后續(xù)工作中，可以考慮更多的因素研究預(yù)制孔洞對(duì)靶件承載能力的影響。(3)本文對(duì)于靶件變形的分析主要集中在現(xiàn)象的描述，尚未深入到機(jī)理層面的研究。在后續(xù)的工作中，需要多補(bǔ)充相關(guān)力學(xué)知識(shí)，開展更多的機(jī)理方面的研究。54 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文參考文獻(xiàn)[1]翟志剛.運(yùn)動(dòng)激波作用下氣體界面不穩(wěn)定性演化的實(shí)驗(yàn)研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2012.[2]葛家斌.斜激波和可壓縮流向渦相互作用的實(shí)驗(yàn)研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),1999.[3]張燦.單脈沖激波管研究JP-10的熱裂解[D].重慶大學(xué),2013.[4]楊帆.大口徑激波管動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].中北大學(xué),2016.[5]IkuiT,MatsuoK.InvestigationsoftheAerodynamicCharacteristicsoftheShockTubes:(Part1,TheEffectsofTubeDiameterontheTubePerformance)[J].BulletinofJsme,2008,12(52):774-782.[6]Henshall,B.D.Onsomeaspectsoftheuseofshocktubesinaerodynamicresearch.HMStationeryOffice,1957.[7]LeeDW,ParkJM,KwonYD,etal.EffectofrupturedisccurvatureonthecompressionwavesinS/Rvalve[J].JournalofMechanicalScience&Technology,2008,22(4):755-760.[8]HouasL,IgraO,JourdanG,etal.Theeffectsthatchangesinthediaphragmaperturehaveontheresultingshocktubeflow[J].ShockWaves,2012,22(4):287-293.[9]RajagopalAK,KimHD,SetoguchiT.ComputationalStudyonMicroShockTubeFlowswithGradualDiaphragmRuptureProcess[J].OpenJournalofFluidDynamics,2012,2(4):235-241.[10]NurickGN,MartinJB.Deformationofthinplatessubjectedtoimpulsiveloading—Areview:PartI:Theoreticalconsiderations[J].InternationalJournalofImpactEngineering,1989,8(2):171-186.[11]G.N.Nurick,J.B.Martin.Deformationofthinplatessubjecttoimpulsiveloading-areview.PartII:experimentalstudies[J].InternationalJournalofImpactEngineering,1989,8(2):159-170.[12]YuenSCK,NurickGN,LangdonGS,etal.Deformationofthinplatessubjectedto55 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哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和使用權(quán)限學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：此處所提交的學(xué)位論文《基于形狀記憶聚合物自適應(yīng)骨折固定裝置研究》，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，在哈爾濱工業(yè)大學(xué)攻讀學(xué)位期間獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，且學(xué)位論文中除已標(biāo)注引用文獻(xiàn)的部分外不包含他人完成或已發(fā)表的研究成果。對(duì)本學(xué)位論文的研究工作做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式注明。作者簽名：日期：2018年6月20日學(xué)位論文使用權(quán)限學(xué)位論文是研究生在哈爾濱工業(yè)大學(xué)攻讀學(xué)位期間完成的成果，知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬哈爾濱工業(yè)大學(xué)。學(xué)位論文的使用權(quán)限如下：（1）學(xué)校可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存研究生上交的學(xué)位論文，并向國(guó)家圖書館報(bào)送學(xué)位論文；（2）學(xué)?？梢詫W(xué)位論文部分或全部?jī)?nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索和提供相應(yīng)閱覽服務(wù)；（3）研究生畢業(yè)后發(fā)表與此學(xué)位論文研究成果相關(guān)的學(xué)術(shù)論文和其他成果時(shí)，應(yīng)征得導(dǎo)師同意，且第一署名單位為哈爾濱工業(yè)大學(xué)。保密論文在保密期內(nèi)遵守有關(guān)保密規(guī)定，解密后適用于此使用權(quán)限規(guī)定。本人知悉學(xué)位論文的使用權(quán)限，并將遵守有關(guān)規(guī)定。作者簽名：日期：2018年6月20日導(dǎo)師簽名：日期：2018年6月20日61 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文致謝在畢業(yè)論文完成之際，首先要感謝我的導(dǎo)師張偉老師。張偉老師在學(xué)業(yè)中給予我大量的指導(dǎo)，在做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，為我提供了一切所需要的設(shè)備、材料和技術(shù)支持。在生活中也給與我很多關(guān)照。其次要感謝陳小偉老師，陳小偉老師給予我論文寫作中的大力支持，并指導(dǎo)我寫出了學(xué)生生涯中的第一篇學(xué)術(shù)論文。接下來(lái)要感謝課題組的師兄弟們，協(xié)助我完成了實(shí)驗(yàn)，并在后期數(shù)據(jù)處理，數(shù)值模擬等工作中提供了大量幫助。最后要感謝我的母校，為我提供了一個(gè)很好的學(xué)習(xí)環(huán)境和科研平臺(tái)。62
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