文献综述
在工程应用和材料加工过程中，材料通常会经受极端环境的考验，并且会产生10%以上的大变形。从传统的金属热加工（锻造、轧制、挤压、拉丝和板料形成等）到航海工程，航天工程，石油天然气行业，以及国防工程等，不乏部分材料会经受高温、高压、大应变和高应变率的实例。比如装甲与反装甲技术上的应用，经受高速撞击的材料变形会超过500%，应变率达到106/s，温度接近或达到熔点，压强达到几个GPa[1]。研究金属或者合金在高应变率下的动态力学响应对军用民用设施都有重大的意义。本文将要对此类问题进行探索。在火炮射击过程中，弹带挤进过程中，弹带材料承受着高温、高压、高应变率等的极端环境的考验，了解材料在此条件下的力学响应，对于建立合适的弹带本构关系曲线，准确计算弹带受力有着一定的帮助。本课题旨在设计弹带在超高应变率下的实验加载系统，并仿真模拟弹带加载实验过程中材料的大变形行为。
高应变率下材料的动态响应问题历来受到学者的关注。1948年，Taylor提出了Taylor杆实验，建立了一套测量高应变率条件下材料动态屈服应力的方法。该方法是用平头柱形弹正向撞击刚性靶平面，通过对回收的变形后的弹体外形尺寸的测量，应用理论公式求解被测材料的动态屈服应力[2]。Corbett等[3]1995年回顾了自由飞行物体贯穿板壳体的研究，同样是与金属的冲击载荷有关。2002年，Rittel等[4]用剪切压缩试样研究了大应变在不同应变率下的OFHC铜的本构响应。江德斐等[5]利用Gleeble1500热模拟试验机和分离式霍普金森压杆试验装置(SHPB)对T2铜进行常温下准静态压缩试验和高应变率下的冲击压缩实验, 获得不同应变率下的应力minus;应变曲线。洛斯阿拉莫斯国家实验室，Gray III等[6]在2006年提出了一种新的动态拉伸挤压实验法（DTE）。实验中，球状子弹以较高的初速度射入圆锥形轴对称的模具，模具入口直径要求略大于子弹直径，在子弹飞行方向上模具直径尺寸逐渐减小，最终比子弹直径减小60%。这样，子弹材料在模具内挤进的过程中，将经历大变形，高应变率，高压和接近熔点的高温的共同作用。此实验一经提出，便吸引了广大学者的研究兴趣。Gray III等[6]提出此实验是为了研究高导无氧铜（OFHC）的冲击预应变和晶粒大小对其在动态拉伸挤压响应的影响。此后，Park等[7]利用此实验，研究了粗制晶粒（晶粒尺寸10~100mu;m量级）与极其细小晶粒（晶粒尺寸0.1mu;m量级）的OFHC的动态拉伸挤压响应，并发现在到达某个临界条件的情况下，铜的内部将发生动态重结晶（DRX）现象，会严重改变材料的力学性质。之后学者Testa等[8]，也发现OFHC在大应变的情况下，会有DRX现象发生。部分学者将DTE实验的应用领域拓展，比如Furmanski等[9]用以研究聚合物在高应变率下的动态力学响应及其影响因素。又如Escobedo等[10]研究金属铬在高应变率下的动态力学响应及其影响因素。
实验设计方面，Gray III等[6]初提出DTE实验时，将一直径为7.62mm的OFHC铜球加速到400m/s，让其射入钢制模型中，模具入口7.62mm，出口2.28mm。挤压后飞出碎片的过程用高速摄像机拍摄下来，并用显微设备观察其微观结构。后者再DTE实验中，除控制的变量不同外，基本延续了此设计方法。有所不同的是，Hornqvist等[1]便将发射的球体改成了钝头的圆柱子弹状。便于加工制造，后有学者延续使用此形状。实验用铜在不同温度下退火一小时得到的晶粒尺寸不同，纯度可达99.98%以上[1]。实验样品用轻气炮发射，经过一5m长的飞行管道加速到460m/s，到达模具[10]。模具后接有一回收装置，Park等[7]用充满水的水箱回收；Furmanski等[9]用软衣服回收聚合物材料，而且将回收室内的压强抽到40Pa，以避免材料与空气的反应；Escobedo等[10]用低密度的泡沫物来回收金属铬。
材料承受冲击动载荷下的动态拉伸挤压问题的准确数值模拟问题是非常困难，因为在此过程中，影响因素很多而且是不能忽略的。子弹与钢模间的接触挤压与摩擦、高温热传导、子弹的热软化、材料的本构关系等等都会对计算结果产生很大的影响。吕剑等[2]曾采用有限元软件LS-DYNA进行了泰勒杆实验的数值仿真。Bonora等[12]用MRK2本构模型对DTE实验进行了数值模拟，用VPSC（visco-plastic self consistent）模型对材料微观结构的变化发展进行了模拟，并与EBSD观察的结果进行比对。的前述学者用不同的方法对其实验过程进行了不同程度的数值模拟。其中对OFHC铜的研究已经很接近本文的工作。基于有限元法（FEM），Carlucci1等[13]利用商业软件Abaqus/CEL对铜的动态拉伸挤压过程进行了数值模拟，并与Gray III等的实验结果进行了对比，得到较好的结果。Bonora等[11]用两种材料模型（MJC和MRK2），考虑温度和压强对材料本构关系的影响，对OFHC铜的DTE实验进行了数值模拟，结果表明虽然JC模型被广泛应用与描述材料的本构关系但是MRK2模型将更加精确。还有学者，将DTE实验的数据与使用铜的JC本构模型对DTE实验进行数值模拟的结果进行对比，以射流碎片的数量与其形状作为标准，检验模型准确性。Iannitti等[14]发现，OFHC铜的晶粒大小会对射流的数量和挤压出的形状产生影响。黄顺兵[15]在其文章中，给出了大量基础理论的知识，包括材料冲击载荷下的力学、传热学与有限元法。并利用修改过的计算程序模块，选取JC本构模型和MG状态方程，对泰勒杆撞击，平头弹穿金属靶等冲击载荷下的典型实验进行了数值计算，在计算材料变形、应力应变的同时，还给出了结构在变形时的热问题分析。
前人的工作中，Bonora等[11,12]用改进的本构关系模型对DTE实验进行了模拟，Carluccl等[13]使用Abaqus/CAE对此实验进行了数值计算，但他们都没有给出实验过程中试样的温度分布场。黄顺兵[15]使用Fortran77编程语言，对现有计算机程序Epic-2D上进行二次开发，对于经典的冲击载荷实验进行计算，并添加了传热计算模块，但是没有对DTE实验进行分析。
本课题要解决的问题：
- 初步模拟弹带在超高应变率下的加载的过程并设计实验方案。主要包括子弹形状、钢模孔洞形状、弹片回收装置、试验台架的整体设计；
- 弹带变形的数值模拟，获得子弹的瞬态大变形特性和温度场分布，分析子弹入射速度对结果的影响规律。
课题研究所采用的主要手段：
在大量阅读参考文献的基础上，以商业软件Abaqus/CAE，考虑材料受载荷过程中的应变率效应和温度效应等，初步使用OHFC铜的Johnson-Cook本构关系模型计算，再试图尝试MJC或MRK2模型进行DTE实验的数值模拟计算[11]，之后考虑添加传热计算，同时多次改变子弹的入射速度，选取不同的钢模形状，并以不同网格划分密度来模拟铜的晶粒尺寸模型，力争DTE实验更加准确的试样瞬态应力分布场、温度分布场等结果。对实验装置的设计提供初步的科学参考依据。
实验装置设计方面，与科研训练项目向结合，利用CAD绘图软件，完成实验装置初期的设计方案简图，另外利用诸如Pro-E等三维绘图软件展示实验方案的三维简图。
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