一种新型爆炸膨胀环（柱壳）实验技术及其应用

传统爆炸膨胀环实验技术采用两端雷管起爆、爆轰波对碰后加载的方式，由此带来了金属环加载的不稳定、实验重复性差、实验成本高等问题。本项目针对这些问题提出新的技术思路，改进传统爆炸膨胀环实验技术中的起爆方式，建立一种轴心线起爆方式的新型爆炸膨胀环（柱壳）实验技术，同步线起爆长度达到200mm，驱动柱壳均匀膨胀的长度超过100mm。新型实验技术可以实现金属环（柱壳）的稳定加载，实验重复性及实验效率均有望得到大幅度提高。在此实验平台上，开展一维拉伸、平面应变加载条件下的金属环、柱壳的动态响应实验研究。重点研究材料在一维高应变率拉伸状态下的本构关系、金属环的动态破碎规律、金属环在膨胀变形过程中损伤演化规律、金属柱壳膨胀过程中裂纹的扩展规律等，为最终建立描述爆炸加载下金属壳体膨胀断裂过程的本构模型奠定基础。

高应变率加载下金属材料的变形、破坏等动力学行为一直是工程应用和基础科学研究关注的焦点。爆炸膨胀环是一种除霍普金森拉杆和电磁加载外可用于研究高应变率条件下金属材料动态响应的实验技术。本项目中，针对早期发展的两端起爆炸药加载金属环引起的不稳定，我们利用中心线起爆技术建立了实现同步起爆柱对称炸药的实验平台，获得了轴对称的柱面爆轰波，提高金属驱动器的均匀加载。通过爆炸丝爆炸过程的动态图像认识以及其电流波形的数据分析，证实了该爆炸丝起爆系统能取得很好的同步性。在此基础上，建立带金属驱动器的起爆系统，开展不同炸药量加载下金属膨胀环均匀膨胀的重复性实验，展示该系统加载可重复性的提高。进一步地我们开展了：1）高应变率加载条件下无氧铜的动态变形过程研究，提出更适合描述该材料动态响应的本构模型；2）一维应变条件下20钢膨胀柱壳恒定应变率下的应力-应变关系；3）研究预置缺陷金属柱壳在环向拉伸下萌生扩展，给出了裂纹尖端速度剖面并利用有限元方法模拟其物理过程；4）利用一个驱动器带多个金属环装置提高回收破片数目，获得金属铝及铜的动态破碎规律准确地吻合Weibull统计分布。考虑到该实验平台的这些应用所获得实验结果将有助于金属材料动态响应过程的物理认识、理论模型发展及数值模拟，而该实验平台的稳定性也确保其在后期应用发挥更大的空间。