1100铝合金Taylor杆撞击变形与断裂数值模拟研究 .pdfVIP

1100铝合金Taylor杆撞击变形与断裂数值

模拟研究

作者：魏刚冯岩

来源：《科技风》2020年第28期

摘要：Taylor杆撞击实验指的是平头金属杆弹正撞击光滑的刚性板，其最初目的用来获取

材料动态性能参数或者进行材料动态本构方程的验证。将Taylor杆撞击速度进一步提高，可以

使圆柱弹体发生开裂、开花甚至破碎失效，为研究冲击载荷下材料的断裂失效行为的提供了一

个较好的手段。本文在已有1100铝合金Taylor杆撞击实验结果的基础上，结合材料性能测

试，开展了对应的ABAQUS/EXPLICT数值模拟研究，获得了与撞击实验一致的变形和断裂模

式，且各变形与断裂模式的速度范围和实验也非常吻合。在此基础上，提取数值模拟中失效单

元的关键信息，揭示了1100铝合金Taylor杆撞击失效机理。

关键词：1100铝合金;Taylor杆撞击;数值模拟;变形与断裂模式;失效机理

概述1

1100铝合金指含铝量99.0%的普通工业纯铝，不可热处理强化，强度较低，但延展性非常

好。前期为了研究高延性材料在冲击载荷下的变形与断裂特性，在轻气泡上开展了1100铝合

金Taylor杆撞击实验[1，2]，弹体名义尺寸Φ12.6mm×50.4mm，名义质量17g。典型的实验结

果列于表1中，其中mi，Li和Di分别为弹体的初始质量，初始长度和直径;V0为弹体初始撞

击速度;Lf和Df为弹体剩余长度和头部直径，Lunc为弹体未变形长度，Npetals为发生花瓣断

裂的弹体花瓣数目，弹体初始及Taylor撞击变形后的尺寸测量方式如图1所示[1，2]。回收到

弹体的典型变形与断裂模式参见图2[1，2]。在前期实验基础上，结合材料性能测试，利用

ABAQUS/EXPLICT开展与试验工况对应的数值模拟研究，在验证有效性的基础上，利用数值

模拟对1100铝合金Taylor杆的断裂机理进行分析。

为了集中关注弹体变形和断裂，靶板均采用弹性钢靶，即弹性模量取为200GPa，且不考

虑弹靶之间的接触摩擦。

数值模拟结果3及分析

数值模拟结果3.1及有效性验证

与实验工况相对应，开展了一系列1100铝合金Taylor撞击数值模拟计算，典型的仿真结

果列于图4中。将图4和表1及图2对比，可以看出数值计算获得的断裂模式与试验非常接

近，在低速时镦粗变形，速度240.4m/s时发生临界开裂，速度进一步升高，弹体发生拉伸撕

裂/花瓣，而在最高速度段，弹体发生向日葵型花瓣开裂。从弹体剩余长度和弹头直径数据来

看，数值模拟结果和实验结果都比较接近，这说明本文所使用的计算模型及对应的模型参数可

以成功地预测1100铝合金Taylor杆的变形与断裂行为。需要说明的是速度为574.8m/s时，数

值模拟获得的断裂破坏程度比实验结果稍严重，实验中仅有个别花瓣发生了脱落，而在数值模

拟中大多数花瓣发生了断裂。初步分析认为，造成这个差别的原因是数值计算过程中的网格删

除引起的。尽管如此，考虑到动态非线性大变形断裂行为的成功预测非常困难，本文仿真结果

对实验的还原程度还是比较好的。

3.2Taylor杆断裂过程及机理研究

图5给出了S-9弹体（速度521m/s）在仿真过程中的断裂过程，可以看出，弹体开花非常

明显，为典型的向日葵型花瓣开裂，与实验结果基本一致。弹体头部边缘在弹靶接触后很快出

现了开裂，并且裂纹基本沿着轴线方向扩展。随着弹体速度下降，一部分裂纹不再扩展，而另

一部分裂纹继续沿轴线扩展，当弹体速度降为零并开始反弹时，裂纹扩展过程才结束。从图5

可以看出，115.5μs以后，花瓣中有一部分发生了“脱落”或中间断裂，这和实验现象不是太一

致。但1100铝合金Taylor杆的花瓣“脱落”与45钢[2，6]和6061铝合金[1，2]弹体的花瓣脱落

情形是不相同的，此处的花瓣“脱落”是由于在裂纹扩展过程中单元删除过多引起的，而不是斜

裂纹汇聚造成的。

图6展示了两个典型单元应力三轴度和损伤历程（速度521m/s时）以及对应的单元位

置。可以看出，损伤累积的主要阶段，两个单元的应力三轴度值都在1/3以上，说明弹体开裂

和裂纹扩展主要是由于拉伸应力状态的作用，其他应力状态（例如，单元2初始阶段负的应力

三轴度并没有造成损伤参量的累计）影响非常小。

结论4

结合材料性能测试结果，利用数值模拟开展了