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流體彈塑性體

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流體彈塑性體是兼有流體性質和彈塑性或粘彈塑性固體性質的連續介質。與普通的流體和彈塑性體相比,流體彈塑性體的運動過程中,流動應力所作的功使介質的溫度顯著升高。

1 流體彈塑性體 -流體彈塑性體

 

2 流體彈塑性體 -正文

  兼有流體性質和彈塑性或粘彈塑性固體性質的連續介質。在爆炸條件下,要把通常的固體當作流體彈塑性體,因為在高壓、瞬時、大變形過程中,介質的流動應力在某些部位遠小於慣性力(和壓力),因而其行為接近於流體。下表列出在幾種典型情況下,特徵流動應力Y,特徵壓力p(或特徵動壓),其中ρ為介質的特徵密度,v為質點的特徵速度)和它們的比值,同時反映出流體彈塑性體的主要應用。表中所列為特徵物理量,Y/p為無量綱參量,其數值表徵問題的性質。例如在破甲彈的射流侵徹問題中,如果Y/p≤6×10-2,則可把金屬射流和靶板看成流體。又如在地下核爆炸(見地下爆炸)中,由於Y/p很小,在運動的初期,或在衝擊波(即激波)還沒有遠離空腔壁時,可以把岩石當作流體,但在運動的後期或在遠離空腔壁的地方,不能把岩石當作流體。

  與普通的流體和彈塑性體相比,流體彈塑性體的運動有以下特點:①在運動過程中,流動應力所作的功使介質的溫度顯著升高。由於溫升引起壓力和密度的變化,使流體彈塑性流動成為剪切變形和體積變形相耦合、機械效應和熱效應相耦合的運動。②溫度、壓力和應變率往往對介質流動應力發生影響。
  流體彈塑性體運動有以下表現:
  ①剪切流或分層(界面)流的不穩定性 圖1a示明用爆炸焊接方法焊接的兩個金屬板焊接面上的波紋。實驗表明,兩塊板的碰撞速度愈大或炸藥量愈大,波紋的幅度就愈大。繼續增大碰撞速度,波幅雖逐漸趨於定值,但在波峰和波谷出現熔化區(圖1b)。圖2是一般粘性流體繞圓柱流動形成的尾渦。可以看出,圖1b和圖2中的兩個圖案很相似:分界面上都有波紋,波形在幾何上幾乎一一對應,這是因為兩者有共同的流體運動特徵。但它們又有重要的區別:粘性流的控制參數是雷諾數,不具有幾何相似的性質,而爆炸焊接的相應參數是ρv2/2Y,具有幾何相似的性質。另外,在爆炸焊接的高壓區,介質的流體行為佔優勢。在那裡,由於流動的不穩定而產生波紋,但在離開高壓區后,固體的性質逐步取代流體的性質,已形成的波紋隨即被凍結。在流體中,凍結過程是不可能發生的。

 

  ②熱塑不穩定性 固體(特別是金屬)的流動應力具有下述一般特性,即流動應力隨溫度的升高而降低,隨剪應變、應變率和壓力的增加而增加。同時,在塑性流動中所有消耗的機械能絕大部分都變為熱能,表現為溫度的升高。因此,在流體彈塑性體中可出現這樣的情況:局部區域發生塑性變形,使該處溫度升高並導致材料的軟化。這樣,形成一種不穩定的局面,愈先發生塑性變形的區域,愈容易變形,從而在流體彈塑性體中形成厚度很薄但變形很大的區域。圖3是在高速碰撞和爆炸焊接條件下材料的金相照片。圖上的變形區,稱為熱塑不穩定層或絕熱剪切帶,厚度通常只有十微米或幾十微米。在碳鋼中,這個區域由馬氏體細小晶粒組成,這是因為在變形後期,兩側處於低溫的金屬依靠高導熱率把高溫層急速冷卻下來的緣故。熱塑不穩定層適用熱擴散方程,有些象粘性流中的邊界層。與邊界層不同之處是,熱塑不穩定層往往大量出現在金屬內部。

  ③馬赫反射 在高壓下,固體的行為接近於流體。因此可以在固體中形成同可壓縮流體中行為相近的激波和一系列與流體中激波相聯繫的現象。馬赫反射就是這類現象之一。在馬赫反射的三波點後面有一個流速不連續面。在流體彈塑性體中,這樣的速度不連續面會導致裂縫的發展和材料的斷裂。因此,如果在圓柱狀金屬棒外包以炸藥,爆炸后在圓柱中形成錐形激波並使之在中心處匯合產生馬赫反射,則在那裡會形成一個圓錐形的孔洞。
  ④介質的相變 在流體彈塑性介質中會出現熔化、氣化和其他相變及再結晶現象。
  參考書目
 B.Alder,et al., ed., Methods in Computational Physics,Vol.3,Academic Press,New York,1964.
 R.Kinslow,ed.,High-velocity Impact Phenomena,Academic Press,New York,1970.

 

3 流體彈塑性體 -配圖

 

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