流体动力学帽状剪切实验数值模拟

　　1　实验与模拟原理

　　在分离式Hopkinson压杆(SHPB)上采用帽状试件方法是Meyer等人[1, 2]发展起来的,主要目的是研究材料在高应变率下的绝热剪切,实验中采用的试样如图1所示,其特点是利用压缩载荷实现剪切变形,使变形高度局域化。在冲击载荷作用下,试件剪切变形只发生在韧带部分,这对研究材料在动载下的变形、失稳、绝热剪切等很方便。Meyers等[3, 4]利用这种帽状试样研究了Ta和Cu等的剪切变形和剪切带特性。在Meyer等人的帽状剪切实验中,剪切带近似处于纯剪状态,即平均应力接近零。为了研究材料在一定压力下的绝热剪切特性, Couque[5, 6]将该帽状试件修改为带压力效应的剪切试件,称为流体动力学帽状试件(如图2所示),这种试件在变形过程中,剪切带处于一定的压力作用下,从而获得不同压力下的绝热剪切破坏以及临界应变。对于延性材料,负压(静水拉)会促进孔洞成核和长大,而正压会抑止孔洞成核和长大,因此,在剪切局部区产生一定的压力有利于观察绝热剪切带。Couque采用这种方法在SHPB上研究了钨合金(91W-6Ni-3Co)在1·5 GPa下产生绝热剪切带,见图3。

　　本文采用Abaqus/Expicit软件模拟了91W-6Ni-3Co合金流体动力学帽状剪切实验,为更好地认识钨合金的动态破坏提供认识。也给出了绝热剪切数值分析中网格敏感性分析。

　　2　有限元分析

　　采用ABAQUS/Explicit有限元分析程序,对试件和导杆采用四节点轴对称单元进行离散。实验中观察到的剪切带宽度约为40微米左右[5],因此在预测剪切带发生的附近对网格进行了加密处理,单元尺寸约为10微米(见图4),以便能反映应变局域化现象,而且在剪切带区域,采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)自适应算法以降低网格过度扭曲导致的求解误差。试件材料91W-6Ni-3Co合金采用Johnson-Cook模型描述:

　　式中:σ为等效应力;εp为等效塑性应变;T*=(T-Tr) /(Tm-Tr)为同系温度;A、B、C、n和m为材料参数,见表1[5];导杆材料取弹性。　　假定冲击过程为绝热的,即不考虑材料的热传导效应,材料的塑性变形中有90%转变为材料的温升,即:

　　式中:k=0·9,σ-等效应力,εp-等效塑性应变。计算了4种撞击条件下的剪切带长度,计算结果与实验的比较见图5,其间的两个点的数据较为吻合, 26·1 m/s撞击速度的结果有偏差,文献[5]认为(绝热剪切带)ASB的长度与撞击速度呈线形关系,从而推导出临界撞击速度为26·1 m/s,而计算表明,在此撞击速度下ASB仍然发生。图6为ASB内的温度时间历程,可以看出,在撞击后20至25微秒期间,剪切带内的温度剧增300 K,可以认为这期间的材料发生了剧烈的塑性变形,材料失稳导致绝热剪切破坏。剪切带局部图的计算机模拟与实验观察分别见图7和图8。