1100鋁合金Taylor桿撞擊變形與斷裂數值模擬研究

魏剛 馮巖

摘 要：Taylor桿撞擊實驗指的是平頭金屬桿彈正撞擊光滑的剛性板，其最初目的用來獲取材料動態性能參數或者進行材料動態本構方程的驗證。將Taylor桿撞擊速度進一步提高，可以使圓柱彈體發生開裂、開花甚至破碎失效，為研究沖擊載荷下材料的斷裂失效行為的提供了一個較好的手段。本文在已有1100鋁合金Taylor桿撞擊實驗結果的基礎上，結合材料性能測試，開展了對應的ABAQUS/EXPLICT數值模擬研究，獲得了與撞擊實驗一致的變形和斷裂模式，且各變形與斷裂模式的速度范圍和實驗也非常吻合。在此基礎上，提取數值模擬中失效單元的關鍵信息，揭示了1100鋁合金Taylor桿撞擊失效機理。

關鍵詞：1100鋁合金;Taylor桿撞擊;數值模擬;變形與斷裂模式;失效機理

1 概述

1100鋁合金指含鋁量99.0%的普通工業純鋁，不可熱處理強化，強度較低，但延展性非常好。前期為了研究高延性材料在沖擊載荷下的變形與斷裂特性，在輕氣泡上開展了1100鋁合金Taylor桿撞擊實驗[1，2]，彈體名義尺寸Φ12.6mm×50.4mm，名義質量17 g。典型的實驗結果列于表1中，其中mi，Li和Di分別為彈體的初始質量，初始長度和直徑;V0為彈體初始撞擊速度;Lf和Df為彈體剩余長度和頭部直徑，Lunc為彈體未變形長度，Npetals為發生花瓣斷裂的彈體花瓣數目，彈體初始及Taylor撞擊變形后的尺寸測量方式如圖1所示[1，2]。回收到彈體的典型變形與斷裂模式參見圖2[1，2]。在前期實驗基礎上，結合材料性能測試，利用ABAQUS/EXPLICT開展與試驗工況對應的數值模擬研究，在驗證有效性的基礎上，利用數值模擬對1100鋁合金Taylor桿的斷裂機理進行分析。

為了集中關注彈體變形和斷裂，靶板均采用彈性鋼靶，即彈性模量取為200GPa，且不考慮彈靶之間的接觸摩擦。

3 數值模擬結果及分析

3.1 數值模擬結果及有效性驗證

與實驗工況相對應，開展了一系列1100鋁合金Taylor撞擊數值模擬計算，典型的仿真結果列于圖4中。將圖4和表1及圖2對比，可以看出數值計算獲得的斷裂模式與試驗非常接近，在低速時鐓粗變形，速度240.4 m/s時發生臨界開裂，速度進一步升高，彈體發生拉伸撕裂/花瓣，而在最高速度段，彈體發生向日葵型花瓣開裂。從彈體剩余長度和彈頭直徑數據來看，數值模擬結果和實驗結果都比較接近，這說明本文所使用的計算模型及對應的模型參數可以成功地預測1100鋁合金Taylor桿的變形與斷裂行為。需要說明的是速度為574.8m/s時，數值模擬獲得的斷裂破壞程度比實驗結果稍嚴重，實驗中僅有個別花瓣發生了脫落，而在數值模擬中大多數花瓣發生了斷裂。初步分析認為，造成這個差別的原因是數值計算過程中的網格刪除引起的。盡管如此，考慮到動態非線性大變形斷裂行為的成功預測非常困難，本文仿真結果對實驗的還原程度還是比較好的。

3.2 Taylor桿斷裂過程及機理研究

圖5給出了S-9彈體（速度521m/s）在仿真過程中的斷裂過程，可以看出，彈體開花非常明顯，為典型的向日葵型花瓣開裂，與實驗結果基本一致。彈體頭部邊緣在彈靶接觸后很快出現了開裂，并且裂紋基本沿著軸線方向擴展。隨著彈體速度下降，一部分裂紋不再擴展，而另一部分裂紋繼續沿軸線擴展，當彈體速度降為零并開始反彈時，裂紋擴展過程才結束。從圖5可以看出，115.5μs以后，花瓣中有一部分發生了“脫落”或中間斷裂，這和實驗現象不是太一致。但1100鋁合金Taylor桿的花瓣“脫落”與45鋼[2，6]和6061鋁合金[1，2]彈體的花瓣脫落情形是不相同的，此處的花瓣“脫落”是由于在裂紋擴展過程中單元刪除過多引起的，而不是斜裂紋匯聚造成的。

圖6展示了兩個典型單元應力三軸度和損傷歷程（速度521 m/s時）以及對應的單元位置。可以看出，損傷累積的主要階段，兩個單元的應力三軸度值都在1/3以上，說明彈體開裂和裂紋擴展主要是由于拉伸應力狀態的作用，其他應力狀態（例如，單元2初始階段負的應力三軸度并沒有造成損傷參量的累計）影響非常小。

4 結論

結合材料性能測試結果，利用數值模擬開展了1100鋁合金Taylor桿撞擊實驗變形和斷裂行為的數值模擬研究。計算得到的彈體變形與斷裂模式與實驗結果基本一致，證明了數值計算是有效性。與此同時，提取計算過程中失效單元的應力三軸度歷程數據與損傷參量歷程數據，對1100彈體的斷裂機理進行了分析，結果表明，1100鋁合金在Taylor桿撞擊中主要發生拉伸撕裂破壞，說明其在高應變率下延性依然非常好。

參考文獻：

[1]G Wei，W Zhang，W Huang，et al.Effect of strength and ductility on deformation and fracture of three kinds of aluminum alloys during Taylor tests.International Journal of Impact Engineering，2014，73：75-90.

[2]魏剛.金屬動能彈變形與斷裂特性及其機理研究[D].哈爾濱工業大學，2014.

[3]GR Johnson，WH Cook.A Constitutive Model and Data for Metals Subjected to Large Strains，High Strain Rates and High Temperatures.Proceedings of the seventh international symposium on ballistics，Hague，Netherlands.1983：541-547.

[4]MG Cockroft，DJ Latham.Ductility and the Workability of Metals.Journal of the Institute of Metals.1968，96：33-39.

[5]DJ Steinberg.Equation of State and Strength Properties of Selected Materials.Lawrence Livermore National Laboratory.1991.

[6]魏剛，張偉，鄧云飛.基于J-C模型的45鋼本構參數識別及驗證.振動與沖擊，2019，38（05）：181-186.

項目：本文受中國民航大學科研啟動基金基金項目（2015QD01S）資助

作者簡介：魏剛（1987—），男，博士，講師，研究方向：沖擊動力學與材料力學性能測試。