沖擊波陣面幾何擾動衰減特性及材料強度效應研究

馬海霞, 馬小娟, 孔歌星, 李 勇, 郝斌斌, 劉福生

(西南交通大學 材料先進技術教育部重點實驗室 物理科學與技術學院, 四川 成都 610031)

沖擊波陣面幾何擾動衰減特性及材料強度效應研究

馬海霞, 馬小娟*, 孔歌星, 李 勇, 郝斌斌, 劉福生

(西南交通大學 材料先進技術教育部重點實驗室 物理科學與技術學院, 四川 成都 610031)

非理想球面沖擊波的幾何整形問題是強沖擊動力學研究的關鍵問題之一,因此研究沖擊波陣面幾何擾動的衰減特性與金屬材料的動力學性質之間的關系成為沖擊波物理研究領域的一個重要課題.利用二維有限差分方法數值再現飛片碰撞擾動實驗,得到金屬鋁中沖擊波振面擾動隨傳播距離演化的全過程.利用數值模擬發現金屬鋁的屈服強度對擾動衰減曲線上的2個特征點非常敏感,即零相位點和最大反向點,給出他們之間的定量關聯.數值分析結果為飛片碰撞擾動方法研究材料的強度效應提供合理的理論支持,并提供一個研究材料強度效應的新思路.

強度效應; 沖擊波振面擾動; 鋁

在強沖擊動力學過程中,保證金屬飛層球面幾何形狀是實現球形內爆的關鍵,為此須要對驅動金屬飛層的沖擊波進行球面整形.在工程中,人們通常借助沖擊加載介質對流場能量和動量的耗散機制,使非理想球面沖擊波陣面上幾何擾動經歷一個震蕩衰減過程,最終演變為近似球面沖擊波.由此可見,沖擊波陣面幾何擾動的衰減特性研究[1]具有重要的應用背景.

在1965年,A. D. Sakharov等[2]采用化爆沖擊加載技術產生具有近似正弦形幾何擾動的非平面沖擊波,利用波陣面擾動幅度的震蕩衰減行為與金屬黏性之間的關聯性,提出一種評價沖擊高壓下金屬等效黏性的實驗方法.2005年,劉福生等[3-5]將該技術移植到二級輕氣炮上,并發展了一套飛片加載產生沖擊波的飛片碰撞擾動法,評估過金屬鋁和鐵在兆巴壓力下的等效剪切黏性行為.研究表明,沖擊加載下金屬材料的黏性系數的取值約103Pa·s.對于液態金屬,其黏性行為取決于原子擴散引起的動量耗散機制,其黏性系數的分子動力學模擬結果僅為10-3～10-2Pa·s[6-8].2種物態下金屬材料的黏性系數相差如此巨大,可能是由于固態金屬的等效黏性含有材料強度效應的貢獻.

在固體材料中,黏性和材料強度對沖擊波陣面的擾動衰減行為均有顯著影響,而且在遠離熔化線的狀態下材料強度對固體材料中沖擊波陣面的演化行為起主導作用.本文以沖擊壓力30 GPa條件下的金屬鋁為例(在此沖擊壓力下金屬鋁并沒有發生沖擊熔化),對其強度效應進行研究.利用有限差分方法數值模擬沖擊波振面擾動隨傳播距離的演化過程,分析鋁的強度效應對演化特征的影響,為進一步利用飛片碰撞擾動法測量材料的強度效應奠定理論基礎.

1 數值模擬

利用數值分析對飛片碰撞擾動法中金屬鋁被加載到30 GPa時,樣品中擾動沖擊波陣面演化的全過程進行模擬;數值模擬的網格設計和參考坐標系如圖1所示.在x、z方向上設定格子數分別為8 000和2 000,計算的時間步長為2ps.假設飛片沿x軸正向運動,其速度大小由沖擊壓力計算得到.樣品的碰撞表面設計成正弦形曲面,如圖1,其形狀用波長(λ)和幅度(h)描述,這樣就可以在樣品沖擊波陣面上形成正弦形微小擾動.由于正弦函數具有周期性,因此在垂直于運動方向上設置周期性邊界條件,而在流場的左右兩端設置連續邊界條件以避免波反射效應.飛片和樣品均為金屬鋁.

計算中設定飛片處的壓力值為30GPa,這一條件下鋁的狀態方程由其Hugoniot狀態方程和Grüneisen狀態方程決定.利用壓力計算飛片流場的橫向初始速度ux=3km/s,令其縱向初始速度為零.樣品和飛片流場的初始密度ρ0均為2.704g/cm3,為保證介質流場的連續性,假設飛片與樣品碰撞的間隙密度為10-6ρ0.樣品流場的初始壓力、內能和速度為零,流場中物理量滿足Rankine-Hugoniot關系,并假定ργ=ρ0γ0(γ0=1.97).

整個彈塑性流場的運動滿足質量、動量和能量守恒[9],其質量守恒方程為

(1)

動量守恒方程為

(2)

能量守恒方程為

(3)

其中,ρ為流場密度,ux、uz分別為x、z方向流場速度分量,τxx、τxz、τzz分別為應力分量.

流場演化過程中,偏應力τ滿足如下關系

(4)

其中,e為偏應變,上面的點表示對時間的一階導數;Y和G分別為屈服強度和剪切模量,模擬過程中屈服強度Y人為賦值,剪切模量G由D.J.Steinberg等[10]給出的本構方程計算得到

上述所有方程都采用C.H.Mader[11]的二維歐拉差分格式進行數值計算.

本文是利用波后流場演化特征研究材料的強度特性,故不特別關心波陣面厚度,因此在波陣面區域內僅采用人為黏性以抑制波陣面前沿處數值震蕩,對其合理取值確保得到收斂的數值計算結果,因此假定沖擊波陣面內無強度效應.波陣面前沿后方流場視為彈塑性介質,由材料的剪切模量和屈服強度決定.

2 計算結果

飛片以3km/s的速度沿x軸正向運動,與樣品的正弦形擾動的“峰”部相撞,此刻在該撞擊區域的飛片與樣品中分別形成了沿x方向傳播的反向而行的2列沖擊波.當飛片與樣品表面完全碰撞(即飛片與樣品之間的間隙完全閉合)時,在飛片和樣品中各形成一列具有完整近正弦形擾動圖樣的沖擊波陣面,如圖2所示.波陣面后方流場的壓力分布完全由材料的高溫高壓物性決定,無法預先寫出流場的解析表達式.此時樣品中沖擊波陣面擾動幅度稱為初始擾動幅度a0,其大小可利用(7)式計算得到

(7)

其中D為樣品中沖擊波速度,可利用Rankine-Hugoniot關系計算得到.在隨后的流場演化過程中,波陣面擾動幅度將不斷減小到零,反相增大到最大值后繼續震蕩下去.其演化的具體特征是本文研究高溫高壓下金屬鋁強度效應的依據.在整個模擬過程中擾動波長λ保持不變.

在x-z平面內利用最大壓力梯度捕獲法[12]確定任意時刻沖擊波陣面的形狀及其位置,進而可以得到沖擊波振面擾動幅度隨傳播距離的演化過程.通常這一過程利用沖擊波陣面擾動幅度衰減曲線來描述,其橫坐標為相對距離(即沖擊波從初始時刻開始傳播的距離x與正弦擾動波長λ的比值),縱坐標為相對幅度(即任意時刻的擾動幅度a與初始擾動幅度a0的比值).

圖3給出沖擊壓力30GPa條件下鋁樣品中沖擊波陣面擾動幅度隨其屈服強度變化的擾動衰減曲線.可以看出,不同強度條件下沖擊波振面擾動的演化規律類似.從初始時刻開始,隨著沖擊波在鋁樣品中向右傳播,其擾動幅度不斷減小,并且降為零,此位置稱之為零相位點(第一個相對幅度為零的點);之后反向幅度增大,達到反向最大值(這一值遠小于初始擾動幅度),此位置稱之為反向最大點(第一個反向幅度最大的點).隨著沖擊波在鋁樣品中繼續傳播,擾動幅度繼續減小,擾動幅度第二次為零,如果系統能量足夠大,還會正向增大,然后減小,一直震蕩下去.根據圖3中屈服強度在0～1.8GPa范圍取值時各條沖擊波陣面擾動幅度衰減曲線的變化情況,發現他們的零相位點和反向最大點的位置對屈服強度非常敏感.由此給出衰減曲線上的這2個特征點隨屈服強度的變化規律,如圖4和5所示.

零相位點的橫坐標值表示沖擊波振面擾動振幅為零時遠離初始擾動位置處的相對距離,其值隨屈服強度增大而非線性增大,如圖4.當Y=0GPa時,零相位點的橫坐標為0.68,隨著屈服強度的增加,零相位點不斷右移;當Y=1.8GPa時,零相位點的橫坐標已經到達0.94.很顯然在1.8GPa的范圍內,屈服強度越大,沖擊波擾動幅度衰減到零的速度越慢.

最大反向點的縱坐標揭示了第一個周期內沖擊波振面擾動幅度的反向最大值.當Y=0GPa時,沖擊波振面反向擾動相對幅度為0.26.屈服強度越大,反向擾動幅度越小,如圖5所示.當Y=1.8GPa時,反向擾動相對幅度只有0.04.如果屈服強度再大些,沖擊波振面擾動很可能無法回到零相位點.

3 結論

本文以30GPa條件下的金屬鋁為例,根據飛片碰撞擾動法的實驗設計,利用有限差分方法數值模擬了樣品鋁中沖擊波振面擾動隨傳播距離演化的全過程.決定金屬鋁強度特征的2個物理量中的剪切模量由Steinberg給出的本構方程確定,屈服強度人為賦值.結果發現:沖擊波陣面擾動幅度衰減曲線上的2個特征點均對金屬鋁的屈服強度值非常敏感.在0～1.8GPa范圍內,金屬鋁的屈服強度越大,零相位點越晚到達,反向幅度越小.如果能利用飛片碰撞擾動實驗法測量出材料中沖擊波振面擾動的演化過程,結合本文的數值分析,就可以定量分析材料的屈服強度.因此,本文為進一步利用飛片碰撞擾動法分析材料的強度效應提供了有效的理論支持.

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(編輯 余 毅)

Study on the Evolutionary Character of the Geometrical Disturbance on the Shock Front and the Strength of the Relevant Material

MA Haixia, MA Xiaojuan, KONG Gexing, LI Yong, HAO Binbin, LIU Fusheng

(KeyLaboratoryofAdvancedTechnologiesofMaterialsforMinistryofEducationofChina,SchoolofPhysicalScienceandTechnology,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan)

How to develop the non ideal spherical shock wave is one of the key problems. So the study of the relationship between the evolutionary character of the geometrical disturbance on the shock front and the dynamic properties of the relevant metal is an important subject in shock wave physics. In this paper, the two-dimensional finite difference method is used to simulate the flyer-impact disturbance experiment and the evolution of the disturbance on the shock front with the propagation distance in Aluminum is obtained. It is found that the yield strength is sensitive to the two characteristic points (the zero-amplitude point and the point with maximum amplitude of reverse-phase) on the disturbance amplitude damping curves, and the quantitative relation between them is listed. Therefore, this paper provides a theoretical basis for studying the strength effect of materials by the flyer-impact disturbance experiment, and opens a new way to study the strength properties of materials.

yield strength; disturbance on the shock wave; aluminum

2016-04-13

國家自然科學基金(2015G01154和11002120)和中央高校基本科研項目(SWJTU12CX085)

O521+21

A

1001-8395(2017)01-0090-04

10.3969/j.issn.1001-8395.2017.01.015

*通信作者簡介:馬小娟(1976—),女,副教授,主要從事高壓物性以及物理力學的研究,E-mail:mxj_swjtu@126.com