应力波与缺陷相互作用的宏观微观数值模拟.pdf

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1、第34卷第1期爆炸与冲击Vo1．34，No．12014年1月EXPLOSIONANDSHOCKWAVESJan．，2014文章编号：1001—1455(2014)01—0052—07应力波与缺陷相互作用的宏观微观数值模拟郭昭亮，任国武，汤铁钢，刘仓理(中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室，四川绵阳621999)摘要：分别利用LS-DYNA3D有限元程序以及分子动力学方法，从宏观与微观两个层次模拟在动态拉伸载荷作用下含有预置缺陷的薄板中的塑性区形成与演化过程，以及随之而来的动态失效行为。计算结果表明，动态加

2、载下塑性区的形成是应力波与缺陷相互作用以及应力波与应力波相互作用的结果。宏观尺度的LS-DYNA模拟与微观尺度的分子动力学模拟展现出相似的物理特征，即动态载荷下裂纹将萌生在缺陷边缘的前端，然后与缺陷边界连接，最终导致整体破坏。关键词：固体力学；塑性区形成；LS-DYNA3D；预置缺陷的薄板；应力波；分子动力学中图分类号：O346．1国标学科代码：1301545文献标志码：A在材料断裂机理研究以及工程应用中，裂纹诱致的断裂行为，一直都是力学家和工程师关注的焦点。尤其对金属及其合金等延性材料，裂纹尖端或刻槽尖端附近的塑性变形区，在裂纹

3、的起裂、扩展、止裂过程中起着重要的作用n]。对塑性区形状大小的估计历来已久，传统的做法从宏观断裂力学角度按照各种屈服准则确定其形状。G．R．Irwin估计了理想裂纹尖端塑性区的大小、形状，并作为弹塑性等效裂纹长度的修正[5]。张亚等针对复合型裂纹，基于小范围屈服准则，采用俞茂宏统一强度理论，给出了裂尖塑性区的统一解析解。X．Gao等基于小范围屈服条件，采用Hill屈服准则计算了不同加载情况下的裂尖塑性区状，发现塑性区呈现蝴蝶状，且弹塑性区边界光滑。Y．Huang等利用最大裂纹张开位移估计了塑性区尺寸大小。然而对于真实材料，由于不存

4、在理想的数学裂纹，则可以使用一定几何形状的缺陷近似裂纹，缺陷局域的塑性区大小、形状可以通过计算缺陷处的应力集中，并依据强度理论进行估计。S．Q．Shi等_8使用简单的模型计算了刻槽尖端的最大正应力与塑性区的大小。张培源等_g]探讨了裂纹尖端为圆弧形的钝化模型，并依据Tresca屈服条件，得到了钝化裂纹前缘塑性区的线场分析解，对于含径向裂纹和圆弧钝化区的圆盘外围，得到其线弹性解，形成了一套估计裂纹前端塑性区尺寸的方法。现有的研究指出，对于平面应变与平面应力情况，塑性区的大小形状以及尖端的正应力分布不同]。在处理裂纹局域的塑性区时，理

5、论大都基于准静态假定，并且认为塑性区首先出现在裂尖(或缺陷)顶端的边界。钱才富等从微观断裂力学的角度更精细地计算了裂纹前缘塑性区和无位错区，发现应力最大的位置出现在远离裂尖一定距离处，并指出它们的存在及性质决定着裂纹的扩展行为。然而，对于由动态载荷诱致的缺陷局域的塑性区形成与演化，以及由此诱发的裂纹萌生、扩展等现象的研究相对较少，研究主要集中在孔洞的长大与演化过程。R．E．Rudd等nH]、E．T．Seppala等5_采用分子动力学程序，模拟了韧性金属中的孔洞成核、长大，以及孔洞之间的相互作用、贯通。祁美兰等_1、王永刚等采用二维

6、LS-DYNA程序，研究了平板撞击加载下含初始杂质的纯铝样品中微孔洞的成核、长大与闭合现象。在快速载荷作用下，由于应力波与材料缺陷的相互作用，将出现与准静态加载时完全不同的物理现象。本文中，利用LS—DYNA3D有限元程序以及分子动力学方法，从宏观微观两个层次分别模拟含有预置圆形(椭圆形)缺陷的薄板，在动态拉伸载荷作用下，塑性区的形成、演化过程以及随之而来的裂纹动态扩展过程。*收稿日期：2012—07—12；修回日期：2012—09—05基金项目：国家自然科学基金项目(11172279)作者简介：郭昭亮(1984一)，男，博士研究

7、生。第1期郭昭亮等：应力波与缺陷相互作用的宏观微观数值模拟1计算模型1．1宏观模型宏观尺度上，采用LS—DYNA有限元程序，模拟含有预置缺陷的薄板(见图1)在动态拉伸载荷(见图2)作用下，缺陷与应力波相互作用对塑性区形成演化的影响，以及由此诱发的裂纹萌生、裂纹动态扩展行为，并通过调节预置缺陷的长轴与短轴比例实现不同的缺陷预置。假定材料动态应力应变曲线如图3所示。图1建模不意图图2拉伸载荷图3应力应变曲线Fig．1SchemeofmodelFig．2HistoryofloadFig．3Stress—straincurve对于同种材料

8、，初始载荷dr。及缺陷的形状位置，决定了薄板中塑性区的形成位置与变形失效行为。(1)当。