单位文秘网 2021-07-24 08:10:03 点击: 次
摘 要:为分析金属壳体在柱面高压加载下的膨胀规律、结构强度和失效模式,设计一种实现壳体柱面膨胀加载的实验装置。该装置采用三轴试验机对高聚物填充物进行轴向压缩,填充物发生侧向膨胀从而实现对金属壳体内侧柱面的均匀加载,金属柱壳内侧压力和径向变形通过三轴试验机的轴压伺服系统、薄膜压力传感器和引伸计进行测量。利用该装置对含缺陷的LY-12硬铝柱壳进行加载得到在柱面加载下不同结构金属柱壳环向的拉伸应力和相对变形的关系,并发现金属柱壳在高强度柱面加载下发生剪切断裂失效,验证该加载测试方法的有效性,为研究材料和结构在柱面加载下的力学响应和失效模式提供依据。
关键词:金属圆柱壳;柱面膨胀加载;压力变形关系;失效模式
文献标志码:A 文章编号:1674-5124(2016)10-0029-05
Abstract: An expansion loading experimental facility is established to analyze the expansion rule, structure strength and failure mode of the metal cylindrical shell under high pressure. An axial compression is firstly loaded on the filling polymer via rock triaxial testing system(RTTS), which results in a radial expanding of the polymeric filling and then consequently generate a uniform radial loading on the inner surface of the shell. Accordingly, the pressure on sidewall and radial displacement could be measured by axle load servo system, thin film pressure sensor and extensometer of the RTTS. Under this radial loading, the stress-displacement relationship of the different Duralumin LY-12 cylindrical shell with flaws is gained and these shells demonstrate shear fracture failure. This efficient loading technique has been proved to be effective, providing basis for further research on the mechanical response and the failure mode of the material and structure under cylindrical expansion loading.
Keywords: metal cylindrical shell; cylindrical expansion loading; pressure-displacement relationship; failure mode
0 引 言
金属壳体在内部高压载荷作用下的失效是工程实践和武器研究中常见的问题。输油、输气管道和高压容器的破裂,导弹、炮弹、战斗部外壳的膨胀断裂,核电站防护层和管道材料的辐射脆化、建筑物和结构中壳体部件的抗压能力评估等,都涉及到结构的动态和静态断裂性能,因此金属壳体的断裂行为引起了广泛的研究。
对金属壳体膨胀断裂性能的研究主要集中在动态和静态两方面。动态断裂性能的实验研究普遍采用膨胀管或膨胀环实验技术,早在20世纪40年代,N.F.Mott、G.I.Taylor、R.Gurney等就对环向断裂问题做过深入研究,分别提出了Mott碎片分布公式、Taylor断裂模型和Gurney碎片初始速度经验公式[1]。Johnson[2]设计了第一套爆炸驱动膨胀环装置,实验利用C3炸药驱动金属圆筒对其外侧的试样进行膨胀加载。Niordson[3]设计的第一套电磁驱动膨胀环装置利用螺线管的电磁感应产生的洛伦兹实现对金属试样的加载。后来Hoggatt[4]以及汤铁钢等[5-6]对爆炸膨胀实验技术做了重要改进。Grady[7]完善了原有的电磁膨胀环技术电路,线圈以及试样制备方面的缺陷。叶想平等[8]与梁民族等[9]分别建立了基于SHPB装置与轻气炮装置的膨胀圆柱管实验技术,通过对填充物的轴向加载,使填充物发生膨胀,从而对实验圆环产生动态加载。金属的静态特性研究则常平板材料的拉伸试验来代替静态膨胀试验[10]。徐文福等[11]使用Shimadzu AG-10TA型万能拉伸机,研究了6063该铝合金在3种不同应力状态下的的变形及损伤行为。曹睿等[12]研究了TiAl基合金不同缺口的平板试样拉伸断裂的过程和机理。朱浩等[13]用SEM.520原位拉伸试验对不同应力状态下6061铝合金试件的断裂过程进行研究。
金属壳体动态膨胀环技术在研究材料高应变率加载下的动态破碎属性方面,被公认为是一种行之有效的实验技术[14],但加载方式的产物和效应会对试样的性能产生较大干扰,试样圆环的膨胀、应变和应力等不能够精确控制和测量。金属的平板拉伸实验同样也存在设备大,试样结构复杂,壳体内部应力方向与膨胀试验不同等问题。综合以上实验技术的优缺点,设计了一种简单、方便、有效的膨胀加载技术,实现了金属圆柱壳内壁的柱面加载,并利用薄膜压力传感器和引伸计测量壳体的压力载荷与变形。
1 实验技术
如图1所示,膨胀加载技术实验装置包括底座、试样壳体、填充物、活塞、引伸计和压力传感器。底座和活塞材料均为45#钢,内部填充物为聚四氟乙烯,在填充物和试样壳体之间放置薄膜压力传感器,在试样壳体直径方向上安装引伸计的两个测量脚。实验中,利用三轴试验机给活塞施加一个恒定向下的速度,活塞驱动聚四氟乙烯产生轴向应变,由于泊松效应,聚四氟乙烯发生横向变形并对试样壳体内表面产生均匀加载,试样壳体发生膨胀变形,当加载大于壳体断裂强度时,壳体发生断裂,从而完成壳体的静态膨胀断裂加载。实验使用薄膜压力传感器测量填充物施加到内壳上的压力,引伸计则测得试样壳体膨胀变形量,并计算得到壳体膨胀变形时环向拉伸的拉应力与变形的关系。
实验使用TAW-2000电液伺服岩石三轴试验机完成膨胀加载,轴向加载速度为2 mm/min,将引伸计与三轴试验机相连,由试验机测试系统记录横向膨胀变形与轴向位移的关系。实验使用压阻式薄膜压力传感器,其阻值随着压力的增加从1 000 kΩ量级降低至10-1 kΩ量级,实验测试电路如图2(a),其中E为9 V的稳压电源,R为阻值5 kΩ的固定电阻,电压U使用示波器进行记录。
2 壳体膨胀实验
实验试样为圆柱壳体,材料为LY-12硬铝,壳体内侧沿母线预置了不同深度的夹角为60°的V型刻槽缺陷,试样参数见表1。
对试样进行实验,得到试样壳体在静态膨胀加载过程中壳体内部所受压力与壳体径向膨胀变形变化曲线,如图3和图4所示。
3 实验结果分析
3.1 壳体柱面加载压力与变形
如图3所示,不同试样壳体的内部压力分别达到a、b、c和d点时,壳体发生断裂卸载,压力瞬间降到很低的水平。a、b、c和d的压力值即为断裂时壳体内部的压力值,该压力值与预制刻槽的深度成负相关趋势。由于薄膜压力传感器测试方式的独特性,壳体内部的压力值反映的是试样壳体的力学状态。在曲线前部分,压力成线性加载,说明壳体发生弹性变形,在断裂前也存在很小一段曲线斜率逐渐减小,此时壳体在预制刻槽附近由于应力集中发生塑性变形,最终发生断裂。
在图4中,当试样壳体径向膨胀变形分别达到A、B、C和D点时,壳体发生断裂,此时壳体在聚四氟乙烯填充物弹性力作用下会迅速向外膨胀,因此引伸计测得的变形会迅速增大。壳体断裂时径向变形的值与刻槽深度同样成负相关趋势,因为刻槽越深,刻槽断裂瞬间壳体环向拉伸应力越小,壳体身体发生的弹性变形越小,同时刻槽处应力集中的区域也越小,发生的塑性变形也较小,所以总体的膨胀变形也越小。
3.2 壳体环向拉伸应力与壳体变形的关系
以壳体断裂时刻为基准,对照图3和图4,得到试样在同一时刻的柱面加载压力和径向变形量,利用式(2)与式(3),计算得到试样壳体柱面加载下环向拉应力与相对变形量的关系,如图6所示。壳体发生断裂时的相对变形和环向拉伸应力均随着刻槽深度的增加而减小,说明预制缺陷对壳体的承压能力和变形能力均会产生很大影响。
对于相同尺寸但无预制刻槽的壳体试样进行实验,由相同的实验方法得到壳体膨胀变形过程中的拉伸应力和相对变形的曲线,如图7所示。从图中的局部放大图可以看到,在壳体膨胀的初期,壳体的拉伸应力曲线和其余带刻槽试样壳体一样,呈现明显的弹性变形,之后在AB区间段内壳体发生明显的塑性变形,壳体应力随着应变的增加而缓慢增加。由于无预制刻槽壳体整个都在发生塑性变形,所以塑性应变的大小明显大于预制刻槽的壳体试样。
3.3 壳体失效模式
如图8所示,无预制刻槽的试样沿着壳体母线发生断裂,断口呈现45°剪切断裂,壳体表面出现轻微凹陷,说明壳体在塑性变形过程中产生了颈缩。0.2 mm预制刻槽的试样刻槽顶端产生应力集中,发生明显的塑性变形,因此沿着预制刻槽发生断裂,沿着刻槽顶端向外呈45°剪切断裂,壳体表面较为光滑,无颈缩现象。说明无预制刻槽试样发生的是塑性变形,预制刻槽试样在断口处塑性变形,但其余部分发生的是弹性变形,故而无预制刻槽试样变形比预制刻槽试样大得多。
4 结束语
本文利用三轴实验机轴压加载系统压缩高聚物填充材料产生的横向膨胀实现了对金属壳体的柱面加载,并利用薄膜压力传感器和引伸计对柱面加载的压力和变形进行了测量,是一种方便、经济、有效的柱面膨胀加载测试技术。
利用该技术对不同预制缺陷的LY-12硬铝壳体进行柱面膨胀加载,测量得到了壳体柱面加载下环向拉伸应力和相对变形的关系,发现在柱面加载下壳体呈45°剪切断裂失效,并发生颈缩现象。对研究柱壳在柱面膨胀加载下的断裂模式提供了加载和测试方法。
参考文献
[1] TAYLOR G I. The fragmentation of tubular bombs[C]∥Batchelor G K. The Scientific Papers of Sir Geoffrey Ingram Taylor:Vol. 3. Cambridge:Cambridge University Press,1963:387-390.
[2] JOHNSON P, STEIN B, DAVIS R. Measurement of dynamic plastic flow properties under uniform stress[C]∥Symposium on the Dynamic Behavior of Materials, Conference Location,1963:195-198.
[3] NIORDSON F I. A unit for testingmaterials at high strain rates[J]. Experimental Mechanics,1965,5(1):29-23.
[4] HOGGATT C R, RECHT R F. Stress-strain data obtained at high rates using an expanding ring[J]. Experimental Mechanics,1969,6(10):441-448.
[5] 汤铁钢,李庆忠,陈永涛,等. 实现材料高应变率拉伸加载的爆炸膨胀环技术[J]. 爆炸与冲击,2009,29(5):546-549.
[6] 汤铁钢,李庆忠,刘仓理. 缺口膨胀环实验的设计分析与数值模拟[J]. 爆炸与冲击,2009,29(6):561-565.
[7] GRADY D, BENSON D. Fragmentation of metal rings by electromagnetic loading[J]. Experimental Mechanics,1983,23(4):393-400.
[8] 叶想平,李英雷,李英华. 基于SHPB装置的膨胀圆柱管实验技术[J]. 爆炸与冲击,2012,32(5):528-534.
[9] 梁民族,陈荣,卢芳云,等. 实现材料高应变率拉伸加载的冲击膨胀环技术[C]∥全国强动载效应及防护学术会议,2015:214-222.
[10] 桂毓林,孙承伟,李强,等. 一维快速拉伸下无氧铜的动态断裂与破碎[J]. 爆炸与冲击,2007,27(1):40-44.
[11] 徐文福,车洪艳,陈剑虹. 6063铝合金在不同应力状态下的变形及损伤行为[J]. 机械工程学报,2009,33(1):20-22.
[12] 曹睿,林有智,陈剑虹,等. 全层状TiAl基合金拉伸试验断裂过程及机理[J]. 机械工程学报,2008,44(1):40-45.
[13] 朱浩,吕丹,朱亮,等. 6061铝合金断裂机理的原位拉伸研究[J]. 机械工程学报,2009,45(2):94-99.
[14] ZHANG H, LIECHTI K, RAVI-CHANDAR K. On the dynamics of localization and fragmentation-Effect of cladding with a polymer[J]. International Journal of Fracture,2009,155(2):101-118.
(编辑:刘杨)
(责任编辑:单位文秘网) )地址:https://www.kgf8887.com/show-161-71290-1.html
上一篇:地下室人防建筑的设计要点研究
版权声明:
本站由单位文秘网原创策划制作,欢迎订阅或转载,但请注明出处。违者必究。单位文秘网独家运营 版权所有 未经许可不得转载使用