一種實現(xiàn)殼體柱面膨脹加載的實驗技術(shù)研究

張紹興，丁亮亮，李翔宇，張震宇，盧芳云

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)理學(xué)院，湖南 長沙 410073）

一種實現(xiàn)殼體柱面膨脹加載的實驗技術(shù)研究

張紹興，丁亮亮，李翔宇，張震宇，盧芳云

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)理學(xué)院，湖南 長沙 410073）

為分析金屬殼體在柱面高壓加載下的膨脹規(guī)律、結(jié)構(gòu)強度和失效模式，設(shè)計一種實現(xiàn)殼體柱面膨脹加載的實驗裝置。該裝置采用三軸試驗機對高聚物填充物進行軸向壓縮，填充物發(fā)生側(cè)向膨脹從而實現(xiàn)對金屬殼體內(nèi)側(cè)柱面的均勻加載，金屬柱殼內(nèi)側(cè)壓力和徑向變形通過三軸試驗機的軸壓伺服系統(tǒng)、薄膜壓力傳感器和引伸計進行測量。利用該裝置對含缺陷的LY-12硬鋁柱殼進行加載得到在柱面加載下不同結(jié)構(gòu)金屬柱殼環(huán)向的拉伸應(yīng)力和相對變形的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)金屬柱殼在高強度柱面加載下發(fā)生剪切斷裂失效，驗證該加載測試方法的有效性，為研究材料和結(jié)構(gòu)在柱面加載下的力學(xué)響應(yīng)和失效模式提供依據(jù)。

金屬圓柱殼；柱面膨脹加載；壓力變形關(guān)系；失效模式

0　引　言

金屬殼體在內(nèi)部高壓載荷作用下的失效是工程實踐和武器研究中常見的問題。輸油、輸氣管道和高壓容器的破裂，導(dǎo)彈、炮彈、戰(zhàn)斗部外殼的膨脹斷裂，核電站防護層和管道材料的輻射脆化、建筑物和結(jié)構(gòu)中殼體部件的抗壓能力評估等，都涉及到結(jié)構(gòu)的動態(tài)和靜態(tài)斷裂性能，因此金屬殼體的斷裂行為引起了廣泛的研究。

對金屬殼體膨脹斷裂性能的研究主要集中在動態(tài)和靜態(tài)兩方面。動態(tài)斷裂性能的實驗研究普遍采用膨脹管或膨脹環(huán)實驗技術(shù)，早在20世紀40年代，N.F.Mott、G.I.Taylor、R.Gurney等就對環(huán)向斷裂問題做過深入研究，分別提出了Mott碎片分布公式、Taylor斷裂模型和 Gurney碎片初始速度經(jīng)驗公式［1］。Johnson［2］設(shè)計了第一套爆炸驅(qū)動膨脹環(huán)裝置，實驗利用C3炸藥驅(qū)動金屬圓筒對其外側(cè)的試樣進行膨脹加載。Niordson［3］設(shè)計的第一套電磁驅(qū)動膨脹環(huán)裝置利用螺線管的電磁感應(yīng)產(chǎn)生的洛倫茲實現(xiàn)對金屬試樣的加載。后來Hoggatt［4］以及湯鐵鋼等［5-6］對爆炸膨脹實驗技術(shù)做了重要改進。Grady［7］完善了原有的電磁膨脹環(huán)技術(shù)電路，線圈以及試樣制備方面的缺陷。葉想平等［8］與梁民族等［9］分別建立了基于SHPB裝置與輕氣炮裝置的膨脹圓柱管實驗技術(shù)，通過對填充物的軸向加載，使填充物發(fā)生膨脹，從而對實驗圓環(huán)產(chǎn)生動態(tài)加載。金屬的靜態(tài)特性研究則常平板材料的拉伸試驗來代替靜態(tài)膨脹試驗［10］。徐文福等［11］使用Shimadzu AG-10TA型萬能拉伸機，研究了6063該鋁合金在3種不同應(yīng)力狀態(tài)下的的變形及損傷行為。曹睿等［12］研究了TiAl基合金不同缺口的平板試樣拉伸斷裂的過程和機理。朱浩等［13］用SEM.520原位拉伸試驗對不同應(yīng)力狀態(tài)下6061鋁合金試件的斷裂過程進行研究。

金屬殼體動態(tài)膨脹環(huán)技術(shù)在研究材料高應(yīng)變率加載下的動態(tài)破碎屬性方面，被公認為是一種行之有效的實驗技術(shù)［14］，但加載方式的產(chǎn)物和效應(yīng)會對試樣的性能產(chǎn)生較大干擾，試樣圓環(huán)的膨脹、應(yīng)變和應(yīng)力等不能夠精確控制和測量。金屬的平板拉伸實驗同樣也存在設(shè)備大，試樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，殼體內(nèi)部應(yīng)力方向與膨脹試驗不同等問題。綜合以上實驗技術(shù)的優(yōu)缺點，設(shè)計了一種簡單、方便、有效的膨脹加載技術(shù)，實現(xiàn)了金屬圓柱殼內(nèi)壁的柱面加載，并利用薄膜壓力傳感器和引伸計測量殼體的壓力載荷與變形。

1　實驗技術(shù)

如圖1所示，膨脹加載技術(shù)實驗裝置包括底座、試樣殼體、填充物、活塞、引伸計和壓力傳感器。底座和活塞材料均為45#鋼，內(nèi)部填充物為聚四氟乙烯，在填充物和試樣殼體之間放置薄膜壓力傳感器，在試樣殼體直徑方向上安裝引伸計的兩個測量腳。實驗中，利用三軸試驗機給活塞施加一個恒定向下的速度，活塞驅(qū)動聚四氟乙烯產(chǎn)生軸向應(yīng)變，由于泊松效應(yīng)，聚四氟乙烯發(fā)生橫向變形并對試樣殼體內(nèi)表面產(chǎn)生均勻加載，試樣殼體發(fā)生膨脹變形，當加載大于殼體斷裂強度時，殼體發(fā)生斷裂，從而完成殼體的靜態(tài)膨脹斷裂加載。實驗使用薄膜壓力傳感器測量填充物施加到內(nèi)殼上的壓力，引伸計則測得試樣殼體膨脹變形量，并計算得到殼體膨脹變形時環(huán)向拉伸的拉應(yīng)力與變形的關(guān)系。

圖1　靜態(tài)膨脹加載實驗裝置

圖2　薄膜壓力傳感器測試

實驗使用TAW-2000電液伺服巖石三軸試驗機完成膨脹加載，軸向加載速度為2mm/min，將引伸計與三軸試驗機相連，由試驗機測試系統(tǒng)記錄橫向膨脹變形與軸向位移的關(guān)系。實驗使用壓阻式薄膜壓力傳感器，其阻值隨著壓力的增加從1 000 kΩ量級降低至10-1kΩ量級，實驗測試電路如圖2（a），其中E為9V的穩(wěn)壓電源，R為阻值5kΩ的固定電阻，電壓U使用示波器進行記錄。

實驗時，首先利用三軸試驗機軸壓系統(tǒng)對薄膜壓力傳感器進行標定，記錄薄膜壓力傳感器在不同軸向正壓力作用下電壓U的響應(yīng)，繪制成如圖2（b）的壓力-電壓曲線，對曲線進行分段擬合得到壓力與電壓的對應(yīng)關(guān)系：

式中：P——壓力傳感器壓力，MPa；

U——壓力傳感器兩端電壓，V。

2　殼體膨脹實驗

實驗試樣為圓柱殼體，材料為LY-12硬鋁，殼體內(nèi)側(cè)沿母線預(yù)置了不同深度的夾角為60°的V型刻槽缺陷，試樣參數(shù)見表1。

表1　試樣殼體參數(shù)

對試樣進行實驗，得到試樣殼體在靜態(tài)膨脹加載過程中殼體內(nèi)部所受壓力與殼體徑向膨脹變形變化曲線，如圖3和圖4所示。

圖3　殼體內(nèi)部壓力曲線（a、b、c和d為殼體斷裂時的壓力卸載點）

圖4　徑向變形曲線（A、B、C和D為殼體斷裂時變形突變點）

3　實驗結(jié)果分析

3.1殼體柱面加載壓力與變形

如圖3所示，不同試樣殼體的內(nèi)部壓力分別達到a、b、c和d點時，殼體發(fā)生斷裂卸載，壓力瞬間降到很低的水平。a、b、c和d的壓力值即為斷裂時殼體內(nèi)部的壓力值，該壓力值與預(yù)制刻槽的深度成負相關(guān)趨勢。由于薄膜壓力傳感器測試方式的獨特性，殼體內(nèi)部的壓力值反映的是試樣殼體的力學(xué)狀態(tài)。在曲線前部分，壓力成線性加載，說明殼體發(fā)生彈性變形，在斷裂前也存在很小一段曲線斜率逐漸減小，此時殼體在預(yù)制刻槽附近由于應(yīng)力集中發(fā)生塑性變形，最終發(fā)生斷裂。

在圖4中，當試樣殼體徑向膨脹變形分別達到A、B、C和D點時，殼體發(fā)生斷裂，此時殼體在聚四氟乙烯填充物彈性力作用下會迅速向外膨脹，因此引伸計測得的變形會迅速增大。殼體斷裂時徑向變形的值與刻槽深度同樣成負相關(guān)趨勢，因為刻槽越深，刻槽斷裂瞬間殼體環(huán)向拉伸應(yīng)力越小，殼體身體發(fā)生的彈性變形越小，同時刻槽處應(yīng)力集中的區(qū)域也越小，發(fā)生的塑性變形也較小，所以總體的膨脹變形也越小。

3.2殼體環(huán)向拉伸應(yīng)力與殼體變形的關(guān)系

假設(shè)殼體在柱面加載下環(huán)向發(fā)生均勻拉伸，殼體的環(huán)向拉伸相對變形量可由殼體的徑向變形求出，公式為

式中：ε——殼體環(huán)向拉伸相對變形量，無量綱量；

Δr——徑向變形量，mm；

R——殼體初始半徑，mm。

對于殼體環(huán)向上無預(yù)制缺陷的位置，受力分析如圖5所示，半殼體在y方向上的合力為0，即：

得到：

式中：σ——殼體環(huán)向拉應(yīng)力，MPa；

P——殼體內(nèi)部壓力，MPa；

d——殼體厚度，mm。

圖5　殼體膨脹受力分析

以殼體斷裂時刻為基準，對照圖3和圖4，得到試樣在同一時刻的柱面加載壓力和徑向變形量，利用式（2）與式（3），計算得到試樣殼體柱面加載下環(huán)向拉應(yīng)力與相對變形量的關(guān)系，如圖6所示。殼體發(fā)生斷裂時的相對變形和環(huán)向拉伸應(yīng)力均隨著刻槽深度的增加而減小，說明預(yù)制缺陷對殼體的承壓能力和變形能力均會產(chǎn)生很大影響。

圖6　殼體環(huán)向拉伸應(yīng)力與相對變形曲線

圖7　無預(yù)制刻槽試樣環(huán)向拉伸應(yīng)力與相對變形關(guān)系

圖8　試樣殼體斷裂模式

對于相同尺寸但無預(yù)制刻槽的殼體試樣進行實驗，由相同的實驗方法得到殼體膨脹變形過程中的拉伸應(yīng)力和相對變形的曲線，如圖7所示。從圖中的局部放大圖可以看到，在殼體膨脹的初期，殼體的拉伸應(yīng)力曲線和其余帶刻槽試樣殼體一樣，呈現(xiàn)明顯的彈性變形，之后在AB區(qū)間段內(nèi)殼體發(fā)生明顯的塑性變形，殼體應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而緩慢增加。由于無預(yù)制刻槽殼體整個都在發(fā)生塑性變形，所以塑性應(yīng)變的大小明顯大于預(yù)制刻槽的殼體試樣。

3.3殼體失效模式

如圖8所示，無預(yù)制刻槽的試樣沿著殼體母線發(fā)生斷裂，斷口呈現(xiàn)45°剪切斷裂，殼體表面出現(xiàn)輕微凹陷，說明殼體在塑性變形過程中產(chǎn)生了頸縮。0.2mm預(yù)制刻槽的試樣刻槽頂端產(chǎn)生應(yīng)力集中，發(fā)生明顯的塑性變形，因此沿著預(yù)制刻槽發(fā)生斷裂，沿著刻槽頂端向外呈45°剪切斷裂，殼體表面較為光滑，無頸縮現(xiàn)象。說明無預(yù)制刻槽試樣發(fā)生的是塑性變形，預(yù)制刻槽試樣在斷口處塑性變形，但其余部分發(fā)生的是彈性變形，故而無預(yù)制刻槽試樣變形比預(yù)制刻槽試樣大得多。

4　結(jié)束語

本文利用三軸實驗機軸壓加載系統(tǒng)壓縮高聚物填充材料產(chǎn)生的橫向膨脹實現(xiàn)了對金屬殼體的柱面加載，并利用薄膜壓力傳感器和引伸計對柱面加載的壓力和變形進行了測量，是一種方便、經(jīng)濟、有效的柱面膨脹加載測試技術(shù)。

利用該技術(shù)對不同預(yù)制缺陷的LY-12硬鋁殼體進行柱面膨脹加載，測量得到了殼體柱面加載下環(huán)向拉伸應(yīng)力和相對變形的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在柱面加載下殼體呈45°剪切斷裂失效，并發(fā)生頸縮現(xiàn)象。對研究柱殼在柱面膨脹加載下的斷裂模式提供了加載和測試方法。

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（編輯：劉楊）

Research on a metal cylindrical shell expansion loading technique

ZHANG Shaoxing，DING Liangliang，LI Xiangyu，ZHANG Zhenyu，LU Fangyun
（College of Science，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China）

An expansion loading experimental facility is established to analyze the expansion rule，structure strength and failure mode of the metal cylindrical shell under high pressure.An axial compression is firstly loaded on the filling polymer via rock triaxial testing system（RTTS），which results in a radial expanding of the polymeric filling and then consequently generate a uniform radial loading on the inner surface of the shell.Accordingly，the pressure on sidewall and radial displacement could be measured by axle load servo system，thin film pressure sensor and extensometer of the RTTS.Under this radial loading，the stress-displacement relationship of the different Duralumin LY-12 cylindrical shell with flaws is gained and these shells demonstrate shear fracture failure.This efficient loading technique has been proved to be effective，providing basis for further research on the mechanical response and the failure mode of the material and structure under cylindrical expansion loading.

metal cylindrical shell；cylindrical expansion loading；pressure-displacement relationship；failure mode

A

1674-5124（2016）10-0029-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.006

2016-04-26；

2016-05-28

國家自然科學(xué)基金項目（11202237，11132012）

張紹興（1991-），男，四川遂寧市人，碩士研究生，專業(yè)方向為工程力學(xué)。