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第 22 卷第 3 期爆炸与冲击 Vol. 22 , No. 3
2002 年 7 月 EXPLOSION AND SHOCK WAVES Jul. ,2002
文章编号: 1001 1455(2002) 03 0257 06
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冲击载荷下钨合金圆台试件绝热剪切 2 2
变形局部化的数值模拟
李剑荣,虞吉林,魏志刚
(中国科学技术大学力学和机械工程系,安徽合肥 230026)
摘要: 采用有限元计算编码 ABAQUS 模拟了钨合金圆台试件在冲击载荷下的变形和剪切局部化行为。
Ξ计算采用二维轴对称应变条件下的绝热模型。钨合金的本构方程采用热粘塑性形式的 Johnson Cook 模型。
为了得到不同尺度的变形信息,计算中用了两种网格;先用粗糙网格分析试件变形局部化的概貌;接着,用细
密网格(在变形局部化区域,网格尺寸达到 10μm) 分析绝热剪切带的形成和发展。有限元模拟得到的绝热剪
切带位置和方向与实验一致。计算结果表明,绝热剪切带的形成和发展与试件的应力状态密切相关。
关键词: 钨合金;绝热剪切;有限元模拟
中图分类号: O347. 1 文献标识码: A
1 引言
绝热剪切局部化是材料冲击响应中的一个重要现象。绝热剪切带的形成和发展是高应变率下材料
的应变强化、应变率强化和热软化三种效应相互竞争,当热软化效应占优势时产生的失稳现象[1 ] ,它直
接与材料的力学行为有关,并受到材料所处的力学状态的影响。在动能弹高速侵彻靶板的过程中,绝热
剪切有利于提高弹头的穿甲性能。贫化铀和钨合金是目前动能穿甲弹的主要用材。实验发现贫铀弹比
钨合金弹具有更高的穿甲威力[2 ] ,其原因在于贫铀材料具有更高的剪切失稳和变形局部化敏感性,从而
在穿甲、侵彻过程中出现“自锐”效应,显著提高其侵彻效能。但是,贫化铀具有一定的放射性和化学毒
性,随着人们对环境问题的日益关注,贫铀弹的使用受到一定的限制。钨合金由于没有上述问题,被认
为是贫铀材料最理想的替代品。近几年来,开发新型钨合金材料、提高钨合金弹的“自锐”效应和穿甲威
力已成为研究的热点。最近的研究发现钨合金的绝热剪切不敏感性是相对的:一方面,材料的细观结构
(如:钨颗粒的形状、空间取向) 对材料的变形、破坏和变形局部化机制有重要影响[3 4 ] ;另一方面,受力状
态对材料的变形也有一定影响[5 6 ] ,但其机理还不是很清楚。
在本文中,我们对钨合金绝热剪切变形和受力条件的关系进行了数值分析。采用了圆台形的几何
试件探讨应力状态对绝热剪切变形的影响。由于绝热剪切现象涉及多个空间和时间尺度,涉及材料的
非线性本构关系,我们选用两套网格分别用于分析试件总体变形和绝热剪切变形局部化。首先,用粗糙
网格计算得到试件变形的概貌。其次,对变形局部化区域选取合适的网格尺寸,细化网格。细密网格计
算给出了绝热剪切带形成和发展的详细分析,得到了与实验观察[5 ]一致的结果。
2 有限元模型
在绝热剪切带中,材料发生剧烈的变形。因此,在有限元模型中必须考虑几何非线性并采用真应力
和真应变。有限元模型采用增量弹塑性理论,假设材料为等向应变强化和应变率强化并服从Mises屈