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        Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料沖擊壓縮特性細(xì)觀模擬

        2020-10-31 07:50:04張先鋒陳海華談夢婷
        含能材料 2020年10期
        關(guān)鍵詞:復(fù)合材料變形結(jié)構(gòu)

        熊 瑋,張先鋒,陳海華,杜 寧,包 闊,談夢婷

        (南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

        1 引言

        Al/Ni 材料是典型的含能結(jié)構(gòu)材料(Energetic structural materials),同時(shí)具備結(jié)構(gòu)特性和化學(xué)反應(yīng)釋能特性。該類材料在一般情況下保持惰性且不相互反應(yīng),當(dāng)給予足夠的機(jī)械、電或激光等刺激后會迅速釋放大量的化學(xué)能,發(fā)生快速燃燒或爆炸[1]。由于兼具含能和強(qiáng)度特性,含能結(jié)構(gòu)材料在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域均具有十分廣闊的應(yīng)用前景[2-6],如制作含能破片、含能藥型罩、基于含能結(jié)構(gòu)材料的侵徹體及空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)等。在材料制備方面,由于Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料在溫度達(dá)到鋁的熔點(diǎn)(660 °C)時(shí)即會發(fā)生化學(xué)反應(yīng),一般不采用燒結(jié)[7-8]和高溫熔融的方法制備該種材料,因此最常用的制備方法有準(zhǔn)靜態(tài)壓制[9-10]、爆炸合成[11]和冷軋[12]等。

        相關(guān)研究表明[13],Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)(顆粒尺寸、形狀以及顆粒分布等)對其力學(xué)行為及沖擊反應(yīng)特性的影響十分顯著。在細(xì)觀尺度上建立含能結(jié)構(gòu)材料的沖擊響應(yīng)模型,研究其在沖擊壓縮下的金屬顆粒材料間的碰撞、孔隙壓垮、接觸面變化及溫度分布等規(guī)律,能更直接分析含能結(jié)構(gòu)材料的沖擊動態(tài)力學(xué)響應(yīng)特性,進(jìn)而有利于闡明其沖擊反應(yīng)機(jī)制。含能結(jié)構(gòu)材料細(xì)觀模型的生成方法主要有兩種:(1)滿足分布統(tǒng)計(jì)規(guī)律的細(xì)觀數(shù)值仿真模型。Williamson[14]將不銹鋼材料簡化為在細(xì)觀尺度上由均勻、等粒徑顆粒構(gòu)成,生成了相應(yīng)細(xì)觀數(shù)值仿真模型。為了更 接 近 真 實(shí) 細(xì) 觀 分 布 情 況,Benson[15-16]、Austin等[17-19]和喬良[20-21]隨后改進(jìn)了該類細(xì)觀模型建立方法,結(jié)合材料中顆粒細(xì)觀分布特性(材料配比、尺寸、幾何形態(tài))建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)描述,并利用隨機(jī)數(shù)生成方法、模擬退火算法等方法生成滿足細(xì)觀分布統(tǒng)計(jì)規(guī)律的模型。(2)基于細(xì)觀照片生成細(xì)觀尺度數(shù)值仿真模型。Eakins[22-23]通過(Scanning Electron Microscope,SEM)設(shè)備得到了Al/Ni 含能結(jié)構(gòu)材料的細(xì)觀照片,并以此建立了細(xì)觀尺度數(shù)值仿真模型,研究了材料顆粒形狀和密實(shí)度等細(xì)觀特性對Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料沖擊響應(yīng)行為的影響規(guī)律,同時(shí)確定了其狀態(tài)方程參數(shù),其建模過程主要有三步[23]:區(qū)分相、矢量化、導(dǎo)入仿真軟件。相比而言,滿足分布統(tǒng)計(jì)規(guī)律的細(xì)觀數(shù)值仿真模型的建立更加方便快捷,而基于細(xì)觀照片生成細(xì)觀尺度數(shù)值仿真模型更能體現(xiàn)材料細(xì)觀尺度上的實(shí)際分布特點(diǎn),而兩種建模方法對含能結(jié)構(gòu)材料沖擊響應(yīng)細(xì)觀模擬結(jié)果的影響機(jī)制仍有待探索。

        基于以上研究背景,本研究選取三種典型的Al/Ni類含能結(jié)構(gòu)材料為研究對象,結(jié)合細(xì)觀結(jié)構(gòu)照片和細(xì)觀顆粒初始形態(tài)建立該類材料的沖擊壓縮細(xì)觀模型,重點(diǎn)關(guān)注沖擊壓縮過程中的材料顆粒變形、壓力響應(yīng)及熱點(diǎn)分布、沖擊波傳播特性等問題,分析兩種建模方法對材料沖擊壓縮響應(yīng)特性的影響機(jī)制,為含能結(jié)構(gòu)材料沖擊反應(yīng)特性的研究奠定基礎(chǔ)。

        2 細(xì)觀模擬方法

        2.1 典型Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性

        對不同Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測有助于確定材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù),研究細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對材料力學(xué)行為及沖擊反應(yīng)特性的影響規(guī)律,同時(shí)也可為后續(xù)細(xì)觀仿真建模提供參考。三種典型Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料SEM 照片如圖1 所示。前兩種材料為Al/Ni粉末復(fù)合材料,由初始粒徑分別小于23 μm 和75 μm的Al 粉和Ni 粉按一定比例混合后,通過粉末壓制法制備得到,尺寸為Φ10 mm×10 mm。其中,1#材料體積配比為50/50,記為Al/Ni(VAl/VNi=50/50)粉末復(fù)合材料;2#材料化學(xué)計(jì)量比為50/50,記為Al/Ni(nAl/nNi=50/50)粉末復(fù)合材料。3#材料為Al/Ni(nAl/nNi=50/50)多層復(fù)合材料,由初始厚度分別為0.8 mm 和0.5 mm 的Al板和Ni板交疊后軋制而成,隨后切割為Φ11.8 mm×5.5 mm圓柱型試樣。

        對于1#材料,在SEM 照片(圖1a)中Al 球形顆粒均勻分布在Ni 基質(zhì)中,其Al-Al 晶界較為清晰。而2#材料SEM 照片中,Al 顆粒相互結(jié)合,Al-Al 晶界不夠分明。這是由于隨著Al 含量增加,Al-Al 顆粒間發(fā)生相互接觸,在準(zhǔn)靜態(tài)壓制過程中發(fā)生變形并結(jié)合在一起,形成如圖1b 所示的團(tuán)聚現(xiàn)象。另一方面,圖1c 所示基于冷軋技術(shù)制備的3#材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)主要以Al 為基體,而Ni 平行散布其中。同時(shí),由于Al 和Ni 的可壓縮性不同,兩者在軋制過程中的厚度比發(fā)生了改變。

        圖1 三種典型Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)Fig.1 The microstructures of three typical Al/Ni composites

        2.2 細(xì)觀幾何模型的建立方法

        2.2.1 基于SEM 照片的細(xì)觀幾何模型生成方法

        為了反映Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料真實(shí)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性,利用SEM 照片建立了細(xì)觀幾何模型[24],截面如圖2 所示。通常,SEM 拍攝的區(qū)域有限,代表性體積單元(Representative volume element,RVE)的 尺 寸 過小,不足以模擬整個沖擊壓縮過程中材料細(xì)觀尺度上的變形行為及沖擊波傳播規(guī)律,因此需要采用適當(dāng)?shù)姆椒ǐ@取尺寸更大的細(xì)觀模型。對于Al/Ni 粉末復(fù)合材料(1#、2#),由圖1 可知,其顆粒分布具有隨機(jī)性,即該材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)具有各向同性的特性。將基于SEM得到的矢量圖沿x、y兩個方向分別進(jìn)行鏡像處理,最終得到細(xì)觀幾何模型的截面尺寸為1 mm×1 mm。

        對于Al/Ni 多層復(fù)合材料(3#),Al、Ni 兩相的細(xì)觀結(jié)構(gòu)均為細(xì)長型,近似于平行分布。在相關(guān)試驗(yàn)中[25],受力方向通常與軸線方向平行(即與細(xì)觀尺度Al-Ni 界面垂直)。由于拍攝角度問題,SEM 照片與試件軸線呈一定的夾角。因此,需將所得到的RVE 進(jìn)行旋轉(zhuǎn),使之與實(shí)際受力情況相符合。同時(shí),由于Al/Ni多層復(fù)合材料的顆粒較大,所建立的細(xì)觀幾何模型尺寸需要大于粉末復(fù)合材料的尺寸,以消除邊界效應(yīng)的影響。將所得到的矢量圖進(jìn)行鏡像或平移,得到截面尺寸為5 mm×5 mm 的細(xì)觀幾何模型。將基于SEM 得到的模型截面沿其垂直方向拉伸,最終得到具有真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性的Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料切片,用于模擬Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料中任一橫截面切片中的沖擊波傳播過程。

        圖2 基于SEM 照片建立的三種典型Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料細(xì)觀仿真模型Fig.2 The mesoscale model established based on SEM images for three typical Al/Ni composites

        為了驗(yàn)證上述建模方法得到的Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料細(xì)觀模型材料配比與真實(shí)材料的一致性,通過提取細(xì)觀模型中各細(xì)觀相的體積,從而獲取細(xì)觀模型中Al 的體積百分?jǐn)?shù),如表1 所示。將細(xì)觀模型中Al 的體積分?jǐn)?shù)與材料制備時(shí)的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn),兩者誤差不超過10%,說明本研究所選取的幾種Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料RVE均能夠反映材料內(nèi)部的真實(shí)情況。

        表1 三種Al/Ni 材料細(xì)觀模型與真實(shí)材料中Al 的含量對比Table 1 Comparison of the volume fraction of Al in mesoscale model and real material %

        2.2.2 基于顆粒初始形態(tài)的Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料均勻化細(xì)觀幾何模型

        在含能結(jié)構(gòu)材料沖擊響應(yīng)特性細(xì)觀模擬中,最常用的方法是結(jié)合材料中初始顆粒細(xì)觀分布特性(材料配比、尺寸、幾何形態(tài))建立滿足分布統(tǒng)計(jì)規(guī)律的細(xì)觀數(shù)值仿真模型。因此,本研究按照材料顆粒的初始形態(tài)特征對幾種典型的Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行了均勻化細(xì)觀建模,用于與基于SEM 照片生成的細(xì)觀模型的對比研究。

        基于1#和2#材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征(圖1),在均勻化細(xì)觀幾何模型中,將Ni 設(shè)置為基體材料,而Al 按照其顆粒初始形態(tài)建立為等粒徑(R=11.5 μm)的圓形顆粒。Al 顆粒的位置(xi,yi)按照隨機(jī)分布方法進(jìn)行分配[21],在此過程中需保證顆粒間互不重疊:

        對于3#材料,由SEM 照片(圖1)可知,其細(xì)觀層近似于平行分布。保持Al、Ni 細(xì)觀層厚度比為原始材料層厚度比(1.6∶1),取Ni 的厚度為0.2 mm,可建立Al/Ni 多層復(fù)合材料細(xì)觀模型。三種典型Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料的均勻化細(xì)觀模型截面如圖3 所示。

        圖3 Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料均勻化細(xì)觀仿真模型Fig.3 The mesoscale model established with homogenization method for three typical Al/Ni composites

        雖然此方法建立的Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料細(xì)觀模型材料配比與其真實(shí)材料配比完全一致,但是,通過與細(xì)觀結(jié)構(gòu)照片對比可以發(fā)現(xiàn),基于材料初始顆粒形態(tài)的均勻化細(xì)觀幾何模型既無法體現(xiàn)Al/Ni 粉末復(fù)合材料(1#、2#)在制備過程中發(fā)生的變形和團(tuán)聚現(xiàn)象,也無法體現(xiàn)Al/Ni 多層復(fù)合材料(3#)在軋制過程中兩相厚度比的改變及Ni 相的斷裂,與材料真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)存在較大差異。

        2.3 材料模型

        Johnson-Cook(J-C)模型[26]是常見的用于描述金屬材料在大變形、高應(yīng)變率和高溫情況下熱力學(xué)行為的材料模型。該模型具有形式簡單、準(zhǔn)確性好且相關(guān)材料參數(shù)容易從單項(xiàng)試驗(yàn)中獲得等優(yōu)點(diǎn)。本研究選取Johnson-Cook(J-C)模型描述高應(yīng)變率下Al、Ni 材料的力學(xué)行為,其表達(dá)式為:

        式中,σe為等效應(yīng)力,Pa;εe為等效應(yīng)變;為無量綱塑性應(yīng)變率;ε˙0為參考應(yīng)變率,s-1;T*=(T-Troom)/(Tmelt-Troom)為無量綱溫度;Y是參考應(yīng)變率下的屈服強(qiáng)度,由準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)確定,Pa;B,n′,c和m′是材料常數(shù)。定義G為材料的剪切模量,Pa;λT為導(dǎo)熱系數(shù),W·m-1·K-1。材料參數(shù)[27-33]列于表2。

        表2 Al、Ni 材料的參數(shù)Table 2 Material parameters for the constitutive model

        Al、Ni 的 沖 擊 響 應(yīng) 行 為 由Mie-Grüneisen 狀 態(tài)ε˙*=ε˙e/ε˙0方程[34]描述,該方程是常用的一種描述固體在沖擊波高壓條件下行為的物態(tài)方程,被廣泛地使用來描述材料沖擊壓縮后的狀態(tài)。其表達(dá)式為:

        式中,C0是聲速,m·s-1;S為材料常數(shù)。

        2.4 求解器及算法選擇

        本研究主要采用ABAQUS/EXPLICIT 求解器模塊對Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料細(xì)觀尺度下沖擊響應(yīng)特性進(jìn)行仿真模擬。該求解器適用于求解非線性動力學(xué)問題和準(zhǔn)靜態(tài)問題,特別在模擬短暫、瞬時(shí)的動態(tài)事件(如沖擊和爆炸問題等)具有一定的優(yōu)勢。同時(shí),考慮到材料在高速沖擊的高應(yīng)變率條件下將發(fā)生劇烈變形,本研究采用歐拉算法對Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料在沖擊壓縮條件下的動態(tài)響應(yīng)行為進(jìn)行仿真模擬。為了對沖擊引起的溫升進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算,選取溫度-位移耦合算法,網(wǎng)格形狀為八節(jié)點(diǎn)正六面體(EC3D8RT),各材料初始溫度為300 K。對于1#和2#材料,為了保證計(jì)算精度將歐拉域網(wǎng)格尺寸取為2 μm。另一方面,對于3#材料,由于其顆粒尺寸約為1#和2#材料的10 倍,為了提高計(jì)算效率,將其細(xì)觀模型的歐拉域網(wǎng)格尺寸取為10 μm。此外,為了模擬沖擊波的一維傳播過程并減少計(jì)算時(shí)間,歐拉域的厚度方向尺寸取為一個網(wǎng)格大小。對歐拉域的材料屬性進(jìn)行定義,并基于前述得到的細(xì)觀尺度幾何模型,對每個網(wǎng)格進(jìn)行物質(zhì)分配。

        2.5 邊界條件

        在細(xì)觀模型的左側(cè)建立剛性板,取其網(wǎng)格大小與歐拉域一致。剛性板以300~1500 m·s-1恒定速度對Al/Ni材料的細(xì)觀模型進(jìn)行壓縮,則材料中的粒子速度Up即為剛性板的壓縮速度。由于細(xì)觀模型尺寸小于實(shí)際試樣尺寸,為了模擬理想周期性材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)和一維壓縮條件,在除加載面以外的各個面均施加對稱邊界條件。

        3 結(jié)果與討論

        為了研究典型Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料細(xì)觀熱力學(xué)響應(yīng)結(jié)果,對2#和3#兩種具有典型細(xì)觀結(jié)構(gòu)的Al/Ni材料在沖擊壓縮過程中的顆粒變形、壓力分布及溫度分布情況進(jìn)行分析。為了保證對比的有效性,本研究所示均為沖擊波傳播至細(xì)觀模型相同位置(沖擊壓縮方向中點(diǎn)附近)的計(jì)算結(jié)果。同時(shí),對三種典型Al/Ni復(fù)合材料沖擊Hugoniot 參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

        3.1 典型Al/Ni 粉末復(fù)合材料沖擊壓縮細(xì)觀模擬計(jì)算結(jié)果

        3.1.1 細(xì)觀顆粒變形情況

        在三個典型沖擊壓縮速度下,基于SEM 照片建立的2#材料細(xì)觀模型中顆粒變形情況如圖4 所示。由于Al/Ni 粉末顆粒尺寸太小,此處對局部區(qū)域進(jìn)行放大處理,并保證圖片具有相同放大比。從計(jì)算結(jié)果可以看出,Up=300 m·s-1時(shí),材料內(nèi)部的細(xì)觀顆粒無明顯變形。隨著Up上升至1200 m·s-1,顆粒變形逐漸劇烈。同時(shí),在沖擊加載條件下,材料體積發(fā)生了壓縮。Up從300 m·s-1上升至1200 m·s-1的過程中,原始橫向沖擊壓縮方向)尺寸為0.45 mm 的區(qū)域壓縮為0.35 mm,相對壓縮率為22.2%。因此,沖擊壓縮下的材料內(nèi)部主要發(fā)生了顆粒變形和體積壓縮兩個過程。

        另一方面,基于材料顆粒初始形態(tài)的2#材料均勻化細(xì)觀模型沖擊壓縮顆粒變形情況如圖5 所示。計(jì)算結(jié)果表明,在沖擊加載條件下,初始顆粒形狀規(guī)則且尺寸均勻的Al 顆粒發(fā)生了變形。當(dāng)沖擊速度達(dá)到800 m·s-1以上時(shí),能夠明顯觀測到Al 顆粒的大變形及顆粒間的融合現(xiàn)象。由于2#材料的真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)中,Al 顆粒間存在團(tuán)聚現(xiàn)象,因此通過粉末壓制法制備的材料實(shí)際顆粒尺寸大于材料粉末的初始尺寸。而圖5 所示細(xì)觀模型的初始狀態(tài)中,Al 顆粒間相互間隔且保持初始顆粒尺寸,在沖擊壓縮過程中的變形相比于基于SEM 照片建立的細(xì)觀模型計(jì)算結(jié)果更加劇烈。

        圖4 2#材料在不同沖擊壓縮速度下的顆粒變形情況Fig.4 The deformation of particles in material 2# at different particle velocities based on the mesoscale model

        圖5 2#材料均勻化細(xì)觀模型在不同沖擊壓縮速度下的顆粒變形情況Fig.5 The deformation of particles in material 2#at different particle velocities based on the mesoscale model with uniform particles

        3.1.2 沖擊壓力及溫度計(jì)算結(jié)果

        圖6 為不同沖擊條件下基于SEM 照片建立的2#材料中壓力和溫度分布情況。從圖6 可以看出,材料內(nèi)部壓力和溫度分布不均勻。隨著Up從300 m·s-1提高至1200 m·s-1,沖擊壓力最高值從8.8 GPa 上升至52.5 GPa,同時(shí)沖擊溫度最大值從452 K升高至2118 K。沖擊壓縮過程中,材料溫升的主要來源是顆粒變形產(chǎn)生的塑性功和沖擊壓縮引起的體積壓縮功。因此,沖擊壓縮速度越高,顆粒變形和體積壓縮越顯著,材料內(nèi)部的沖擊溫度越高。假設(shè)Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料的沖擊反應(yīng)過程主要是由溫度控制的。當(dāng)沖擊溫度超過反應(yīng)閾值時(shí),該材料發(fā)生部分化學(xué)反應(yīng),反應(yīng)速率隨溫度的升高而增高,直至達(dá)到最大值,實(shí)現(xiàn)完全化學(xué)反應(yīng)[27,36]。從細(xì)觀仿真的角度進(jìn)行分析,可以推論:沖擊速度的增加可以促使沖擊溫度升高,從而加快化學(xué)反應(yīng)速率,最終釋放出更多的能量。這一推論與相關(guān)試驗(yàn)的結(jié)果吻合[25,37]。

        2#材料均勻化細(xì)觀模型在不同沖擊壓縮速度下的壓力和溫度分布情況如圖7 所示。當(dāng)Up從300 m·s-1升高至1200 m·s-1時(shí),最大沖擊壓力從8.5 GPa 升高至54.7 GPa,相應(yīng)的最大沖擊溫度從447 K 升高至2265 K。與由SEM 照片建立的細(xì)觀模型計(jì)算結(jié)果相比,該模型計(jì)算的2#材料中細(xì)觀尺度壓力和溫度峰值差異不大,但分布壓力場和溫度場的分布更加均勻。當(dāng)Up達(dá)到800 m·s-1時(shí),沖擊波波陣面后局部溫度超過Al 的熔點(diǎn)(933 K),Al 顆粒發(fā)生了局部變形,并與相鄰顆粒產(chǎn)生融合。隨著沖擊速度的增大,材料內(nèi)部溫度更高,因此Al 顆粒的變形和融合現(xiàn)象更加明顯。

        圖6 2#材料細(xì)觀模型在不同沖擊速度下的壓力及溫度分布Fig.6 The pressure and temperature response in material 2# at different particle velocities based on the mesoscale model

        圖7 2#材料均勻化細(xì)觀模型在不同沖擊速度下的壓力及溫度分布Fig.7 The pressure and temperature response in material 2# at different particle velocities based on the mesoscale model with uniform particles

        3.2 典型Al/Ni 多層復(fù)合材料沖擊壓縮細(xì)觀模型計(jì)算結(jié)果

        3.2.1 細(xì)觀顆粒變形情況

        Al/Ni 多層復(fù)合材料與Al/Ni 粉末復(fù)合材料具有完全不同的細(xì)觀結(jié)構(gòu)和細(xì)觀尺寸,相關(guān)試驗(yàn)也表明兩者的宏觀力學(xué)行為和沖擊釋能特性具有較大差異[24]。基于SEM 照片建立的3#材料細(xì)觀模型在典型沖擊速度下的顆粒變形情況,如圖8 所示。同前述計(jì)算結(jié)果,沖擊壓縮速度越高,細(xì)觀顆粒變形越劇烈,沖擊壓力和溫度也相應(yīng)增加。其中,顆粒變形情況主要表現(xiàn)為兩個方面:(1)Al、Ni 材料細(xì)觀層在壓縮加載下發(fā)生體積壓縮而變?。唬?)Ni 顆粒的兩端及中間初始厚度較薄區(qū)域比其他區(qū)域變形更快,從而出現(xiàn)類似于流體的流動現(xiàn)象,使其細(xì)觀顆粒更加彎曲甚至斷裂。

        圖9 為厚度比為0.32/0.2 且各細(xì)觀層保持軋制之前初始形態(tài)的3#材料均勻化細(xì)觀模型計(jì)算結(jié)果,該結(jié)果與基于真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)的細(xì)觀模型計(jì)算結(jié)果存在較大差異。對于Al、Ni 細(xì)觀層,在沖擊壓縮過程中主要發(fā)生了體積壓縮,而無明顯變形現(xiàn)象。

        圖8 基于SEM 的3#材料在不同沖擊壓縮速度下的變形情況Fig.8 The deformation of layers in material 3# at different particle velocities based on the mesoscale modelwith SEM images

        圖9 3#材料均勻化細(xì)觀模型在不同沖擊壓縮速度下的變形情況Fig.9 The deformation of layers in material 3# at different particle velocities based on the mesoscale model with uniform layers

        3.2.2 沖擊壓力及溫度計(jì)算結(jié)果

        圖10 為不同沖擊條件下基于SEM 照片建立的3#材料中壓力和溫度響應(yīng)計(jì)算結(jié)果。與2#材料相比,3#材料在沖擊壓縮過程中的壓力和溫度分布更加不均勻,且其分布情況均與材料的顆粒分布情況相關(guān)。從圖10 中壓力云圖可以看出,3#材料的沖擊波波陣面形狀為與波陣面處顆粒形狀相似的曲面。此外,從溫度分布云圖可以看出,Al 相的沖擊溫度顯著高于Ni 相,這是由于Al 的可壓縮性比Ni 好。當(dāng)沖擊速度Up=300 m·s-1時(shí),該材料內(nèi)最高沖擊壓力為8.8 GPa,最高沖擊溫度為472 K。隨著Up提高至1200 m·s-1,沖擊壓力和沖擊溫度最大值分別升高至72 GPa 和2856 K。由此看出,3#材料內(nèi)的沖擊溫度和沖擊壓力高于2#材料。

        圖10 基于SEM 的3#材料細(xì)觀模型在不同沖擊速度下的壓力及溫度分布Fig.10 The pressure and temperature response in material 3# at different particle velocities based on the mesoscale model with SEM images

        圖11 3#材料均勻化細(xì)觀模型在不同沖擊壓縮速度下的變形情況Fig.11 The pressure and temperature response in material 3# at different particle velocities based on the mesoscale model with uniform layers

        圖11 為3#材料均勻化細(xì)觀模型沖擊壓力和溫度計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明,基于該細(xì)觀模型得到的材料內(nèi)沖擊波波陣面為與材料細(xì)觀層完全平行的平面,溫度分布云圖為與Al、Ni 材料位置相關(guān)的高、低溫間隔且平行分布的結(jié)構(gòu)。此外,由于細(xì)觀層結(jié)構(gòu)規(guī)則且均勻分布,該細(xì)觀模型的計(jì)算結(jié)果中無局部高溫、高壓點(diǎn)。因此,基于初始細(xì)觀形態(tài)建立的3#材料細(xì)觀模型無法預(yù)測沖擊壓縮局部高壓和熱點(diǎn)結(jié)果。

        3.3 Al/Ni類含能結(jié)構(gòu)材料的沖擊Hugoniot參數(shù)計(jì)算

        圖12 基于兩種細(xì)觀建模方法的Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料Us-Up關(guān)系計(jì)算結(jié)果對比Fig.12 Comparison of the Us-Up relationship of Al/Ni materials calculated from two modelling methods

        表3 三種Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料狀態(tài)方程參數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 3 The calculated Hugoniot parameters of three Al/Ni composites

        根據(jù)前述沖擊波參數(shù)的計(jì)算方法,得到了三種Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料在不同沖擊壓縮速度Up下產(chǎn)生的沖擊波速度Us。對離散的Us-Up數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合得到了Hugoniot 參數(shù),結(jié)果如圖12 和表3 所示。對于1#材料,兩種建模方法得到的計(jì)算結(jié)果無明顯差異。而對比2#材料兩種細(xì)觀模型計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),基于SEM 照片建立的細(xì)觀模型計(jì)算得到聲速和沖擊波速度均高于細(xì)觀顆粒形狀均勻的細(xì)觀模型計(jì)算結(jié)果。這主要是由于2#材料中的Al 顆粒含量高于1#材料,同時(shí)SEM 照片也表明2#材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)中的Al 顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象相比于1#材料更為顯著,因此采用均勻化建模方法得到的細(xì)觀模型不能準(zhǔn)確體現(xiàn)材料顆粒的分布情況。該結(jié)果表明,在材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)中,若顆粒分布較為離散,兩種建模方法計(jì)算的宏觀狀態(tài)方程參數(shù)結(jié)果相近;若某一顆粒含量較高而在細(xì)觀結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)大面積的團(tuán)聚現(xiàn)象,應(yīng)優(yōu)先采用SEM 照片生成的細(xì)觀模型。另外,對于3#材料,基于SEM 照片建立的細(xì)觀模型計(jì)算得到的材料聲速低于細(xì)觀層均勻化的模型計(jì)算結(jié)果,而基于SEM 照片建立的細(xì)觀模型得到的材料參數(shù)S高于細(xì)觀層均勻化的模型計(jì)算結(jié)果。結(jié)合前述分析可知,細(xì)觀結(jié)構(gòu)均勻化建模方法不適用于描述Al/Ni 多層復(fù)合材料的沖擊響應(yīng)行為。

        4 結(jié)論

        以三種典型的Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料為研究對象,分析了材料配比、制備工藝對其細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性的影響機(jī)制,同時(shí)結(jié)合細(xì)觀結(jié)構(gòu)照片和細(xì)觀顆粒初始形態(tài)建立了該類材料的沖擊壓縮細(xì)觀模型?;趦煞N細(xì)觀模擬方法的沖擊壓縮響應(yīng)特性計(jì)算結(jié)果得到如下規(guī)律:

        (1)Al/Ni 粉末復(fù)合材料的細(xì)觀顆粒主要以Ni 為基體,且Al 顆粒隨著其含量的上升而發(fā)生團(tuán)聚;而Al/Ni 多層復(fù)合材料主要以Al 為基體,Ni 近似于平行分布其中。

        (2)Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)存在不均勻特性,導(dǎo)致材料在沖擊壓縮過程中產(chǎn)生局部高壓和局部熱點(diǎn),而這一特性無法由材料初始顆粒形態(tài)建立的均勻化細(xì)觀模型得到。

        (3)在沖擊Hugoniot 參數(shù)計(jì)算方面,兩種建模方法對細(xì)觀顆粒分布較為離散的Al/Ni 粉末復(fù)合材料的計(jì)結(jié)果相近,但對于Al/Ni 多層復(fù)合材料及細(xì)觀結(jié)構(gòu)中存在顆粒大量團(tuán)聚的Al/Ni 粉末復(fù)合材料計(jì)算結(jié)果存在顯著差異。

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