Fracture analysis of glass fiber reinforced composite material under high temperature and pressure
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摘要: 为了探究埋头弹火炮所用的玻璃纤维增强型(GFR)复合材料药筒在高温高压瞬态冲击条件下的结构强度，分别开展了圆筒静态整体拉伸和动态高温高压冲击实验，从拉伸/瞬态超高压破坏试样断口部分截取断口样品，在扫描电子显微镜下观察断口形貌，得到GFR复合材料在两种不同受力情况下的失效模式。结果表明：室温整体单轴拉伸断裂时，GFR复合材料的断面与轴线夹角接近45°, 失效模式为环氧树脂基体破坏和纤维拔出；在高压瞬态冲击作用下，试样主要失效模式为纤维的脆性断裂，同时由于火药燃烧产生的高温燃气使部分环氧树脂基体碳化，纤维与基体界面结合力降低，少数纤维熔融或软化附着在断口上，部分软化的纤维因瞬态超高压被拉细。Abstract: In this study we carried out an static overall tensile experiment at room temperature and a transient blast experiment under ultra high pressure to investigate the structural strength of glass fiber reinforced (GFR) composite cartridge of CTA gun with transient impulse under high temperature and pressure. The fracture surfaces of the specimens were cut from the tensile/transient ultra high pressure failure samples, and the fracture morphology was observed under the scanning electron micro scope. The results show that the main failure modes of GFR composites are matrix failure and fiber pulling-out when the uniaxial overall tensile fracture occurs at room temperature with the intersection between the GFR composites section and the axis close to 45°; the main failure mode of the specimen under transient ultra high pressure is the brittle fracture of the fiber and, due to the a portion of substrate's carbonization resulting from the high temperature heat produced by the ignited gun powder, the fiber matrix interface's binding force is reduced and a few fibers either melt or soften, becoming attached to the fractured surface, thereby attenuating part of the softened fibers due to the transient super high pressure.
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随着脉冲功率技术和高功率激光技术的发展，采用脉冲大电流和高功率脉冲激光对物质进行无冲击斜波压缩的实验技术在过去的十余年中获得了长足的进步[1-5]，并成功应用于极端条件下(高压、高应变率)的状态方程[6-10]、高压强度[11-15]、相变[16-18]等材料物性的研究。在斜波压缩实验中，可测量的物理量主要是台阶靶不同Lagrange位置的样品界面粒子速度，如何通过界面粒子速度获取实验材料的动力学响应，成了此类实验必须解决的问题。
针对斜波压缩实验数据为台阶靶样品自由面或样品/窗口界面速度历史的情形，多种方法(Lagrange方法[19]、反积分方法[20-21]和特征线方法[22-23])被提出用于获取材料的压力-比容关系。反积分方法和特征线方法都是先假定材料参数，以实验测量的界面速度作为输入在时间轴逆向求解，其中反积分还要以不同厚度样品的加载面加载历史一致作为收敛的单一判据，因此对考虑诸如强度等力学特性的材料，需要预先设定的模型参数越多，该方法的使用难度就越大；此外，反积分方法和特征线方法要求材料模型参数的初设值与其真实值的偏差不能太大，否则会出现计算不收敛或收敛参数无意义的情况。采用Lagrange方法的优点是不需对材料参数做任何假定，可用于处理材料的复杂力学响应，但难点在于如何获得准确的原位粒子速度剖面。早期的工作采用自由面速度近似法[19]计算原位速度；后来Volgler等人发展了增量阻抗匹配法[24]；2013年，J.L.Brown等提出了转换函数法(transfer function method，TFM)[25]。数值计算表明，采用转换函数方法可准确获得斜波压缩实验中的加载-卸载原位速度剖面，但前提是使用该方法过程中数值模拟的界面速度曲线和实验测量的速度曲线尽可能的一致。
为避免J.L.Brown等提出的使用转换函数方法中需进行高精度磁流体数值计算的需求，本文中提出一种联合使用正向Lagrange方法和转换函数来处理斜波压缩实验数据的新途径，分析转换函数方法的使用条件，并在此基础上讨论转换函数方法在斜波压缩下强度实验数据处理中的应用。
1. Lagrange正向数据处理方法
在Lagrange坐标下，一维等熵运动中的质量、动量和能量守恒方程可表达为[19]:
{l2/∂σ/∂h=−ρ0∂u/∂t(l1∂u/∂h=−∂ε/∂t(σ/ρ0)(∂u/∂h)=−∂e/∂t (1) 式中：σ为应力(压力为正号)，ε为应变，ρ0为初始密度，u为粒子速度，e为比内能，h、t为Lagrange坐标和时间，Lagrange声速的定义CL=Δh/Δt，上式给出等熵线上扰动形成的状态增量形式为：
{l2/Δσ=−ρ0CL(u)Δu(l1Δu=−CL(u)ΔεΔe=σΔε/ρ0 (2) 由此可计算材料的应力-应变关系为：
Δσ=ρ0C2LΔε (3) 采用Lagrange方法处理斜波压缩实验数据时，基本处理流程见图 1。在同一发实验中，测量不同厚度样品的自由面或样品/窗口界面粒子速度，将实验测量的界面速度转换为原位速度(in-situ velocity)后，再对不同厚度样品的速度-时间曲线做差，进而得出Lagrange波速与粒子速度关系。通过式(2)，可计算给出整个加载-卸载过程的CL-u、σ-u、σ-ε曲线。显而易见，Lagrange正向数据处理的难点在于如何准确还原不同厚度样品的原位粒子速度。
2. 转换函数方法
转换函数方法(TFM)的物理思想为：假定数值计算可以准确的表征样品后界面反射波与前界面后续加载波的相互作用，采用数值计算给出后界面速度和原位速度之间的映射关系，将该映射关系对实验测量的速度剖面进行反演，即可获得实验对应的原位速度。该方法自2013年提出以来，在Sandia实验室迅速获得广泛应用[8, 14, 25-26]。和自由面近似以及增量阻抗匹配方法相比，转换函数方法中可以考虑界面反射波与后续加载波的相互作用，准确的将非简单波情形还原为简单波情形。
转换函数方法的使用步骤可归纳如下。
(1) 采用数值计算，获得样品/窗口界面的粒子速度剖面uwc(t)和相同位置的原位速度剖面uic(t)，要求计算的uwc(t)尽可能的和实验测量的样品/窗口界面速度剖面uwe(t)接近。
(2) 寻找uwc(t)和uic(t)之间的转换函数f(t)。先将uwc(t)和uic(t)变换到频率域，给出Uwc(ω)和Uic(ω)，计算Uwc(ω)和Uic(ω)之间的关联函数F(ω)= Uic(ω)/ Uwc(ω), 再将F(ω)转换到时间域，即为uwc(t)和uic(t)之间的转换函数f(t)。
(3) 利用转换函数f(t)对实验测量的样品/窗口界面的粒子速度剖面uwe(t)做卷积，给出实验对应的原位粒子速度剖面uie(t)：
uie(t)=uwe(t)∗f(t)=∫+∞−∞uwe(t-τ)f(τ)dτ (4) 具体计算过程中，可先计算频率域的实验原位速度以避开卷积的计算：
Uie(ω)=Uwe(ω)⋅F(ω) (5) 再将Uie(ω)做傅里叶逆变换，还原为实验对应的原位粒子速度剖面uie(t)。
图 2是我们采用数值试验，对转换函数法在处理复杂结构波形时的验证结果。先设定材料参数和加载波形，分别计算铜/LiF窗口界面速度曲线和原位速度曲线，再以计算的界面速度曲线作为“实验”的速度曲线并对其进行转换函数还原，将还原结果和计算的原位结果进行比较，发现还原的结果和计算结果完全吻合，表明该方法对复杂结构的速度波形具有良好的适用性。
在实际过程中，考虑到材料强度、粘性耗散等因素，很难做到计算的界面速度波形和实验结果完全吻合，因此需对转换函数方法的健壮性进行考核，即当计算的速度波形和实验速度波形存在一定的偏差时，采用转换函数计算的原位速度是否可靠。图 3给出了采用未考虑强度效应的计算波形对考虑了强度效应的“实验”波形进行近似，转换函数方法计算的原位速度波形和真值的比较。由于强度效应只是导致计算和“实验”速度波形在峰值位置出现较明显的偏差，因此对还原的原位速度影响不大。图 4分别为计算的速度幅值相对“实验”结果偏差10%和计算波形的脉宽相对“实验”结果偏差5%时，采用转换函数方法计算的原位粒子速度与真值的比较。比较结果表明速度偏差10%，脉宽偏差5%时，转换函数方法仍具有较好的适用性。此外，我们还计算了不同窗口阻抗匹配以及自由面情形下的原位速度还原，均获得了满意的结果。
图 3 不考虑强度效应时的转换函数方法健壮性验证Figure 3. Robustness validation of transfer function method by ignoring the strength effect3. 斜波压缩实验数据处理
以磁驱动斜波压缩强度测量实验结果为例，联合使用正向Lagrange方法和转换函数方法对实验结果进行分析，分析结果如图 5所示。图 5(a)给出了台阶靶的自由面速度曲线，对实验测量的自由面速度曲线做1/2近似，以此获得的原位速度曲线做正向数据处理，给出CL-u曲线如图 5(b)所示。由图 5(b)可知，给出加载段体波声速的线性拟合为CL= C0+2λu=3.34+2.55u，由此给出Grüneisen状态方程的C0=3.34 km/s，λ=1.27，将其带入反积分程序[21]，计算加载界面的压力和速度历史，并给出Grüneisen状态方程的参数优化值。以反积分提供的加载界面压力(或速度)边界为基础，正向计算给出样品自由面的速度剖面，要求计算的界面速度曲线和实验结果尽量的接近；同时正向计算可给出样品厚度位置的原位速度剖面，计算结果如图 5(c)所示。再根据计算的界面速度和原位速度，采用转换函数方法，对实验测量的自由面速度进行还原，获得的原位速度如图 5(d)所示。利用实验结果的原位速度，正向计算给出加载-卸载过程中材料的CL-u曲线如图 5(e)所示。
图 5 Lagrange方法和转换函数方法在强度实验数据分析中的应用Figure 5. Application of Lagrangian method and transfer function methods in experimental strength data analysis由图 5(e)可见，采用转换函数方法进行数据处理获得的声速在加载末期出现了下降，这体现了加载后期应变率的剧烈变化以及加载波形衰减对声速计算的影响。采用转换函数方法计算的卸载声速相对自由面1/2近似计算结果偏小约8%，转换函数方法计算的卸载时弹性纵波声速的最大值和理论结果更为接近。根据实验测得的加载-卸载过程中拉氏声速的变化，即可参照文献[15]计算斜波压缩下的材料强度。
4. 结论
将Lagrange方法和转换函数方法在斜波压缩实验数据的正向处理中成功进行了应用，建立了斜波压缩实验数据处理的新流程，获得了可靠的实验结果。该数据处理方法的建立，将有效减小以往斜波压缩实验强度数据的计算误差，对强度实验数据的分析具有重要的作用。
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图 4 玻璃纤维增强型复合材料轴向拉伸断口
Figure 4. Fracture appearance of GFR composite material specime in overall tensile experiment
图 6 玻璃纤维增强型复合材料高压瞬态冲击断口
Figure 6. Fracture appearance of GFR composite material specimen in transient blast experiment
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