高电流高温高应变率下铜基金属材料的本构关系研究

The mechanical behavior of railgun conductors will have a great effect on the long-range precision fires and conductor fatigue life. To efficiently capture the mechanical behavior of railgun conductors, an accurate theoretical model of constitutive law is essential for predicting their responses in various extremely conditions. Since railgun conductors experience mechanical loads at extreme conditions such as extremely current pulses, high temperature and high strain rates, the constitutive relation of conductors (copper-based alloy) shows nonlinear and electromagnetic-thermal-mechanic coupling characteristic, which is hard to be measured in electromagnetic launch (EML). The purpose of this project is developing a nonlinear multifield coupled constitutive model for conductors subjected to extremely current pulses, high temperature and high strain rates. The model validation will be performed by measurements for constitutive behavior under high pulses current, high temperature and high strain rates, respectively and simultaneously. The predicted results by the model will be of significant benefit to both the theoretical researches and the development of EML technology

导轨的力学行为决定了电磁轨道炮的远程射击精度以及使用寿命，是发展电磁轨道炮技术的关键问题，而有效预测导轨结构力学行为的前提，需要准确刻画导轨材料在使役环境下的本构关系。由于电磁炮发射过程是强脉冲电流、高温、高速摩擦等复杂超常条件同时作用，因此材料的本构关系呈现出多场耦合强非线性时变特征，且由于武器装备的诸多力学特性通过实验测试耗资巨大甚至无法实施，因此准确合理的力学建模和可靠有效的定量分析是解决我国发展电磁轨道炮武器装备中遇到的挑战性瓶颈课题的有力工具。基于此，本项目研究高电流高温高应变率复杂超常条件下导轨铜基金属材料细观结构的演化规律，拟解决在多场耦合环境下材料本构关系建模这一科学问题，为不同使役环境下导轨材料的性能表征和失效分析提供有力的研究手段，为轨道炮导轨的设计及可靠性评价提供指导依据。

导轨的力学行为决定了电磁轨道炮的远程射击精度以及使用寿命，是发展电磁轨道炮技术的关键问题，而有效预测导轨结构力学行为的前提，需要准确刻画导轨材料在使役环境下的本构关系。由于电磁炮发射过程是强脉冲电流、高温、高速摩擦等复杂超常条件同时作用，因此材料的本构关系呈现出多场耦合强非线性时变特征，且由于武器装备的诸多力学特性通过实验测试耗资巨大甚至无法实施，已有理论研究往往基于经验和工程化的知识，采用常规的结构模型，而忽略了众多因素后利用有限单元法进行了大量的重复计算，导致所得结论与真实情况相差较远，装备结构完整性差、寿命短等问题一直缺乏有效的理论指导和解决方法。因此准确合理的力学建模和可靠有效的定量分析是解决我国发展电磁轨道炮武器装备中遇到的挑战性瓶颈课题的有力工具。基于此，本项目研究高电流高温高应变率复杂超常条件下导轨铜基金属材料细观结构的演化规律，基于双参数位错密度KM模型，考虑了高电流密度对材料微结构演化机理的影响，引入了应变率与电流密度关系，同时对位错密度演化相关参数进行了修正，提出了强脉冲电流下铜基金属材料的电塑性本构关系，得到了强脉冲电流下弹塑性切线模量的变化规律。建立了极端电磁冲击载荷下电磁推进装备导轨结构动态响应的非线性多场耦合模型，攻克极端电磁冲击下各物理场非连续边界的求解技术难点，实现装备多物理场的定量模拟，解决了已有理论低估磁场和温度的问题，提高了理论预测的准确性定量预测结构变形振动对装备发射速度、精度和导轨寿命的影响程度，创新性提出可自恢复的低阻力高导电的液态金属/铜基金属复合导轨结构设计，对于接触边界的降温效果达到60%，获得了兼顾导电性和减少磨损的抗电磁冲击结构。本文的研究结果可为不同使役环境下导轨材料的性能表征和失效分析提供有力的研究手段，为轨道炮导轨的设计及可靠性评价提供指导依据。