張 斐,黃群濤,郭盛雨,張久云,劉 雨,張春輝

(1.中國船舶重工集團(tuán)有限公司第710研究所，湖北 宜昌 443000；2.海軍研究院，北京 100161)

1 引言

隨著水下武器彈藥的高速發(fā)展，水中兵器已經(jīng)由過去的單一戰(zhàn)斗部發(fā)展為串聯(lián)多級(jí)戰(zhàn)斗部，在近場(chǎng)水下爆炸過程中，艦船面臨著戰(zhàn)斗部的多次水下攻擊威脅。如美國MK50魚雷戰(zhàn)斗部由前后兩級(jí)裝藥組成，通過延時(shí)起爆技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩部分裝藥先后作用于被攻擊目標(biāo)，其毀傷效能明顯提升。此外，艦船在實(shí)際服役過程中一方面會(huì)受到自身武器系統(tǒng)發(fā)射過程中的多次沖擊作用，另一方面不可避免地會(huì)受到反艦武器的集群攻擊。由于艦船是由大量板、梁、桿等焊接拼裝而成的大型鋼結(jié)構(gòu)，因此，組成艦船的結(jié)構(gòu)在多次強(qiáng)動(dòng)載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能在一定程度上決定了艦船的生命力。多次強(qiáng)動(dòng)載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)問題涉及到?jīng)_擊波、流場(chǎng)、結(jié)構(gòu)等強(qiáng)非線性耦合，理論計(jì)算十分困難。數(shù)值模擬方法具有便于開展、成本低、且擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)在強(qiáng)動(dòng)載荷作用下瞬態(tài)響應(yīng)的計(jì)算精度在很大程度上取決于材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型，而材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型又取決于動(dòng)載荷下材料的力學(xué)行為。因此，研究多次強(qiáng)動(dòng)載荷作用下材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為對(duì)艦船抗沖擊性能評(píng)估具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

國內(nèi)外學(xué)者通過開展夏比沖擊試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)拉伸、壓縮等試驗(yàn)大量研究了強(qiáng)動(dòng)載荷作用下船用鋼的力學(xué)行為，并擬合了適用于工程數(shù)值仿真計(jì)算的Cowper-Symonds和Johnson-Cook本構(gòu)模型。上述研究主要集中于船用鋼板在一次沖擊載荷作用下的力學(xué)性能。而多次強(qiáng)動(dòng)載荷下材料的力學(xué)性能則相對(duì)復(fù)雜。部分國內(nèi)外學(xué)者通過開展爆炸試驗(yàn)研究了多次強(qiáng)動(dòng)載荷作用下材料的沖擊損傷特性，其研究結(jié)果多是從試驗(yàn)角度闡述了多次強(qiáng)動(dòng)載荷作用下材料的塑性變形規(guī)律，對(duì)于引起材料塑性變形的原因研究并不充分。目前公開的關(guān)于多次強(qiáng)動(dòng)載荷下材料的力學(xué)性能研究資料尚不多見。

本文利用分離式霍普金森裝置(SHPB)開展某船用鋼在不同應(yīng)變率下的多次動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，分析其在不同應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)行為，根據(jù)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果得到多次強(qiáng)動(dòng)載荷作用下某典型船用鋼材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能特性。

2 力學(xué)性能試樣與裝置

為了開展某典型船用鋼板的多次SHPB動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，根據(jù)國標(biāo)要求設(shè)計(jì)了如圖1所示的Φ5 mm×4 mm的SHPB動(dòng)態(tài)壓縮試樣，采用線切割技術(shù)加工了試驗(yàn)所需試樣。

圖1 SHPB動(dòng)態(tài)壓縮試樣圖

圖2是SHPB壓縮試驗(yàn)裝置的示意圖，主要由子彈、入射桿、透射桿和吸收桿組成，其中試驗(yàn)裝置桿的直徑為12.7 mm。從圖2中可以看出，被測(cè)試樣位于入射桿和透射桿之間，子彈以一定的初速度撞擊入射桿。入射桿與透射桿上應(yīng)變片記錄加載過程中的脈沖信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。圖3是試驗(yàn)裝置的實(shí)物圖及試樣連接局部圖。

圖2 SHPB試驗(yàn)裝置示意圖

圖3 SHPB試驗(yàn)裝置及試樣連接局部圖

3 多次動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)及結(jié)果分析

某典型船用鋼材料的SHPB壓縮試驗(yàn)有兩項(xiàng)內(nèi)容：① 測(cè)試5種不同超高應(yīng)變率下船用鋼材料的動(dòng)態(tài)壓縮性能，每種應(yīng)變率下各進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)；② 選取3個(gè)某典型船用鋼試樣，在相同應(yīng)變率下連續(xù)進(jìn)行4次沖擊加載試驗(yàn)，分析其在多次沖擊載荷作用下的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)行為。

多次動(dòng)態(tài)壓縮加載工況如表1所示。應(yīng)變率為3 450 s的工況下，某典型船用鋼材料經(jīng)4次動(dòng)態(tài)壓縮前后試樣形貌如圖4所示。從圖4中可以看出：多次動(dòng)態(tài)壓縮后圓柱試樣的尺寸由Φ5 mm×4 mm變成了Φ6 mm×2.5 mm，發(fā)生了明顯的墩粗。

表1 多次動(dòng)態(tài)壓縮加載工況

圖4 多次動(dòng)態(tài)壓縮前后試樣形貌圖

3.1 應(yīng)力應(yīng)變特性

某典型船用鋼材料在5種不同應(yīng)變率下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5。

圖5 不同應(yīng)變率下船用鋼板材料的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)：材料在不同的強(qiáng)動(dòng)載荷作用下，在彈性變形階段，其真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)大致相同，呈線性變化趨勢(shì)；但在塑性變形階段則表現(xiàn)出了明顯差異。當(dāng)應(yīng)變率低于1 520 s時(shí)，材料在塑性變形階段，d/d遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于零；當(dāng)應(yīng)變率高于1 520 s時(shí)，d/d逐漸趨于零。產(chǎn)生差異的主要原因在于：材料動(dòng)態(tài)壓縮過程中，塑性變形階段應(yīng)力變化是應(yīng)變硬化和熱軟化共同作用的結(jié)果。當(dāng)強(qiáng)動(dòng)載荷的應(yīng)變率較小時(shí)，材料塑性變形階段產(chǎn)熱少，應(yīng)力的變化主要是應(yīng)變硬化作用的結(jié)果，表現(xiàn)為d/d>0；當(dāng)強(qiáng)動(dòng)載荷的應(yīng)變率逐漸增大時(shí)，材料塑性變形階段產(chǎn)熱逐漸增加，材料熱軟化引起的應(yīng)力下降逐漸抵消應(yīng)變硬化引起的應(yīng)力增加，表現(xiàn)為d/d逐漸趨于零。

圖6是某船用鋼材料的屈服強(qiáng)度與載荷應(yīng)變率的變化關(guān)系曲線，從圖6中可以明顯看出材料的屈服強(qiáng)度具有一定的應(yīng)變率敏感性，其隨著載荷應(yīng)變率的增加而逐漸增大。與準(zhǔn)靜態(tài)屈服強(qiáng)度相比，載荷應(yīng)變率為4 010 s時(shí)，屈服強(qiáng)度提升了68.05%。

圖6 材料屈服強(qiáng)度與載荷應(yīng)變率的關(guān)系曲線

不同應(yīng)變率的強(qiáng)動(dòng)載荷連續(xù)4次加載后船用鋼板材料的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7。從圖7中可以看出：與首次強(qiáng)動(dòng)載荷加載結(jié)果相比，第二次強(qiáng)動(dòng)載荷沖擊后，材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度出現(xiàn)躍升，表明重復(fù)沖擊載荷作用下材料的剩余強(qiáng)度增強(qiáng)、流動(dòng)應(yīng)力增加。隨著強(qiáng)度載荷加載次數(shù)的增加，材料的損傷累積效應(yīng)逐漸明顯，表現(xiàn)為第4次沖擊加載后，塑性變形階段，材料的應(yīng)力出現(xiàn)較大波動(dòng)，原因是：多次強(qiáng)動(dòng)載荷沖擊加載后，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)，達(dá)到屈服破壞的臨界狀態(tài)。

圖7 不同應(yīng)變率的動(dòng)載荷多次加載下船用鋼材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

不同應(yīng)變率的多次強(qiáng)動(dòng)載荷沖擊加載后，材料的塑性應(yīng)變隨沖擊加載次數(shù)的變化趨勢(shì)如圖8所示，從圖8中可以看出：材料的塑性應(yīng)變隨沖擊加載次數(shù)的增加而減少；第二次沖擊加載后，材料的塑性應(yīng)變約為第一次沖擊加載結(jié)果的1/3。隨著加載次數(shù)進(jìn)一步增加，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)被壓實(shí)，發(fā)生塑性變形困難。

圖8 材料的塑性應(yīng)變隨沖擊加載次數(shù)的變化曲線

3.2 吸能特性

理想吸能效率是衡量金屬材料吸能強(qiáng)弱的指標(biāo)：

(1)

式中：為真實(shí)應(yīng)力；為真實(shí)應(yīng)變；為動(dòng)態(tài)壓縮變形中峰值應(yīng)力。

不同應(yīng)變率的強(qiáng)動(dòng)載荷連續(xù)4次加載過程中船用鋼板材料吸能效率隨塑性應(yīng)變的變化曲線如圖9。從圖9中可以看出：多次強(qiáng)動(dòng)載荷作用下，材料吸能效率的整體變化趨勢(shì)是：隨著應(yīng)變的增加，吸能效率先逐漸增大，然后趨于平緩。圖10是4次強(qiáng)動(dòng)載荷加載后材料的最終吸能效率曲線，從圖10可以看出：前3次沖擊加載過程中，材料最終吸能效率逐漸降低，而第4次沖擊加載后吸能效率反而增大，表明材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)由屈服到屈服破壞過程中的損傷效應(yīng)有利于材料的吸能效率提升。

圖9 不同應(yīng)變率的動(dòng)載荷多次加載下吸能效率與應(yīng)變的變化曲線

圖10 不同應(yīng)變率的動(dòng)載荷多次加載下材料的吸能效率曲線

4 結(jié)論

通過開展某典型船用鋼材料的多次SHPB壓縮試驗(yàn)，分析了材料在多次強(qiáng)動(dòng)載荷作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為，得到以下結(jié)論：

1)某典型船用鋼材料的屈服強(qiáng)度具有應(yīng)變率敏感性，其隨著載荷應(yīng)變率的增加而逐漸增大，與準(zhǔn)靜態(tài)屈服強(qiáng)度相比，載荷應(yīng)變率為4 010 s時(shí)，屈服強(qiáng)度提升了68.05%；

2)多次強(qiáng)動(dòng)載荷作用下，某典型船用鋼材料的塑性應(yīng)變隨沖擊加載次數(shù)的增加而減少；第二次沖擊加載后，材料的塑性應(yīng)變約為第一次沖擊加載結(jié)果的1/3，隨著加載次數(shù)進(jìn)一步增加，在塑性變形階段，材料累積損傷導(dǎo)致應(yīng)力出現(xiàn)較大波動(dòng)；

3)強(qiáng)動(dòng)載荷作用下，某典型船用鋼材料的吸能效率先逐漸增大，然后趨于平緩；多次強(qiáng)動(dòng)載荷作用下，材料的累積損傷效應(yīng)有利于提升材料的吸能效率。