多次強動載荷下某船用鋼力學性能試驗研究

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展，水中兵器已經由過去的單一戰斗部發展為串聯多級戰斗部，在近場水下爆炸過程中，艦船面臨著戰斗部的多次水下攻擊威脅。如美國MK50魚雷戰斗部由前后兩級裝藥組成，通過延時起爆技術實現兩部分裝藥先后作用于被攻擊目標，其毀傷效能明顯提升。此外，艦船在實際服役過程中一方面會受到自身武器系統發射過程中的多次沖擊作用，另一方面不可避免地會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構，因此，組成艦船的結構在多次強動載荷作用下的動態響應性能在一定程度上決定了艦船的生命力。多次強動載荷作用下結構的響應問題涉及到沖擊波、流場、結構等強非線性耦合，理論計算十分困難。數值模擬方法具有便于開展、成本低、且擴展性強等優點，但結構在強動載荷作用下瞬態響應的計算精度在很大程度上取決于材料的動態本構模型，而材料的動態本構模型又取決于動載荷下材料的力學行為。因此，研究多次強動載荷作用下材料的動態力學行為對艦船抗沖擊性能評估具有重要的應用價值。

國內外學者通過開展夏比沖擊試驗、動態拉伸、壓縮等試驗大量研究了強動載荷作用下船用鋼的力學行為，并擬合了適用于工程數值仿真計算的Cowper-Symonds和Johnson-Cook本構模型。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性能。而多次強動載荷下材料的力學性能則相對復雜。部分國內外學者通過開展爆炸試驗研究了多次強動載荷作用下材料的沖擊損傷特性，其研究結果多是從試驗角度闡述了多次強動載荷作用下材料的塑性變形規律，對于引起材料塑性變形的原因研究并不充分。目前公開的關于多次強動載荷下材料的力學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變率下的多次動態壓縮試驗，分析其在不同應力狀態下的力學行為，根據力學性能試驗結果得到多次強動載荷作用下某典型船用鋼材料的動態力學性能特性。

2 力學性能試樣與裝置

為了開展某典型船用鋼板的多次SHPB動態壓縮試驗，根據國標要求設計了如圖1所示的Φ5 mm×4 mm的SHPB動態壓縮試樣，采用線切割技術加工了試驗所需試樣。

圖1 SHPB動態壓縮試樣圖

圖2是SHPB壓縮試驗裝置的示意圖，主要由子彈、入射桿、透射桿和吸收桿組成，其中試驗裝置桿的直徑為12.7 mm。從圖2中可以看出，被測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變片記錄加載過程中的脈沖信號，并將其轉化為電信號。圖3是試驗裝置的實物圖及試樣連接局部圖。

圖2 SHPB試驗裝置示意圖

圖3 SHPB試驗裝置及試樣連接局部圖

3 多次動態壓縮試驗及結果分析

某典型船用鋼材料的SHPB壓縮試驗有兩項內容：① 測試5種不同超高應變率下船用鋼材料的動態壓縮性能，每種應變率下各進行3次重復試驗；② 選取3個某典型船用鋼試樣，在相同應變率下連續進行4次沖擊加載試驗，分析其在多次沖擊載荷作用下的動態壓縮力學行為。

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

表1 多次動態壓縮加載工況

圖4 多次動態壓縮前后試樣形貌圖

3.1 應力應變特性

某典型船用鋼材料在5種不同應變率下的真實應力-應變曲線如圖5。

圖5 不同應變率下船用鋼板材料的真實應力-應變曲線

觀察圖5可以發現：材料在不同的強動載荷作用下，在彈性變形階段，其真實應力-應變曲線變化趨勢大致相同，呈線性變化趨勢；但在塑性變形階段則表現出了明顯差異。當應變率低于1 520 s時，材料在塑性變形階段，d/d遠遠大于零；當應變率高于1 520 s時，d/d逐漸趨于零。產生差異的主要原因在于：材料動態壓縮過程中，塑性變形階段應力變化是應變硬化和熱軟化共同作用的結果。當強動載荷的應變率較小時，材料塑性變形階段產熱少，應力的變化主要是應變硬化作用的結果，表現為d/d>0；當強動載荷的應變率逐漸增大時，材料塑性變形階段產熱逐漸增加，材料熱軟化引起的應力下降逐漸抵消應變硬化引起的應力增加，表現為d/d逐漸趨于零。

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

圖6 材料屈服強度與載荷應變率的關系曲線

不同應變率的強動載荷連續4次加載后船用鋼板材料的真實應力-應變曲線如圖7。從圖7中可以看出：與首次強動載荷加載結果相比，第二次強動載荷沖擊后，材料的動態屈服強度出現躍升，表明重復沖擊載荷作用下材料的剩余強度增強、流動應力增加。隨著強度載荷加載次數的增加，材料的損傷累積效應逐漸明顯，表現為第4次沖擊加載后，塑性變形階段，材料的應力出現較大波動，原因是：多次強動載荷沖擊加載后，材料內部結構出現失穩，達到屈服破壞的臨界狀態。

圖7 不同應變率的動載荷多次加載下船用鋼材料的應力-應變曲線

不同應變率的多次強動載荷沖擊加載后，材料的塑性應變隨沖擊加載次數的變化趨勢如圖8所示，從圖8中可以看出：材料的塑性應變隨沖擊加載次數的增加而減少；第二次沖擊加載后，材料的塑性應變約為第一次沖擊加載結果的1/3。隨著加載次數進一步增加，材料內部結構被壓實，發生塑性變形困難。

圖8 材料的塑性應變隨沖擊加載次數的變化曲線

3.2 吸能特性

理想吸能效率是衡量金屬材料吸能強弱的指標：

(1)

式中：為真實應力；為真實應變；為動態壓縮變形中峰值應力。

不同應變率的強動載荷連續4次加載過程中船用鋼板材料吸能效率隨塑性應變的變化曲線如圖9。從圖9中可以看出：多次強動載荷作用下，材料吸能效率的整體變化趨勢是：隨著應變的增加，吸能效率先逐漸增大，然后趨于平緩。圖10是4次強動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，表明材料內部結構由屈服到屈服破壞過程中的損傷效應有利于材料的吸能效率提升。

圖9 不同應變率的動載荷多次加載下吸能效率與應變的變化曲線

圖10 不同應變率的動載荷多次加載下材料的吸能效率曲線

4 結論

通過開展某典型船用鋼材料的多次SHPB壓縮試驗，分析了材料在多次強動載荷作用下的動態力學行為，得到以下結論：

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

2)多次強動載荷作用下，某典型船用鋼材料的塑性應變隨沖擊加載次數的增加而減少；第二次沖擊加載后，材料的塑性應變約為第一次沖擊加載結果的1/3，隨著加載次數進一步增加，在塑性變形階段，材料累積損傷導致應力出現較大波動；

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