爆炸焊接波狀界面分形表征與重構研究

《爆炸焊接波狀界面分形表征與重構研究》是依託南昌大學，由付艷恕擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：爆炸焊接波狀界面分形表征與重構研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：付艷恕
• 依託單位：南昌大學

項目摘要

爆炸焊接金屬複合板已在工業上得到廣泛套用，其複合質量由焊接界面波狀形貌決定，然而學術上對界面波形貌分析仍處於定性水平，尚未建立定量分析方法，對該問題的研究具有重要的科學意義和工程套用價值。本課題打破歐幾里德幾何思想束縛，從分形幾何角度研究波狀界面形貌。研究過程中首先獲得研究對象的圖像數據，並利用分維分析方法對波狀界面形貌、炸藥鋪設厚度及爆轟產物壓力脈動等具有的分形特徵進行研究，實現圖像數據的定量表征；其次，從流體界面穩定性理論出發，建立射流運動動力學方程並求解，通過對方程解的分析揭示界面形貌對初始條件的依賴關係。最後，基於已表征的波狀界面形貌對初始條件依賴關係，利用二維多重分形界面重構，通過疊代生成表面凹凸不平的幾何對象，使其與界面形貌圖像吻合，實現對應初始條件下焊接界面形貌的計算機界面重構，該方法反過來可指導爆炸焊接參數工程定量設計。

結題摘要

早期的觀點及近期發展出的結論逐步將爆炸焊接界面波存在的不規則性呈現出來，並進行了定性分析，但尚未實現量化分析。據此，本項目以爆炸焊接界面為研究對象，基於分形理論建立了焊接界面形貌定量分析方法。主要研究內容及對應結果： (1) 基於爆炸焊接波狀界面形成的失穩機理與流體—彈塑性模型，在飛板反向射流與空氣之間存在著R-T、K-H，甚至R-M不穩定性條件，因而提出失穩是發生在金屬流體薄膜與空氣之間。由界面波幅與波長之比判定線性理論成立，從而建立雙層流體失穩線性控制方程，獲得失穩發展特徵指數表達式。結果表明在金屬流體彈—粘性與失穩機制競爭作用下，特定波長範圍的擾動能夠被優先發展，其他波長的擾動被抑制或未能發展，從而使得波狀界面在沿爆轟方向較為一致，實驗結果也驗證了這一結論的正確性。 (2) 進一步利用分形理論研究爆炸焊接界面形貌特徵。運用三維超景深顯微鏡獲得界面形貌圖像，通過Matlab圖像分析技術對界面形貌進行二值化處理，基於分形理論獲得圖像分維值以及多重分維譜，從而建立界面形貌定量表征方法。 (3) 基於(2)所建立的方法對(1)所闡述的爆炸焊接界面波的形成、發展與最終形貌開展分維表征，從而實現對界面形貌的定量分析。 (4)利用(3)所形成的結論，對爆炸焊接界面形貌差異開展定量化評價。運用三維超景深顯微鏡獲得爆炸焊接界面形貌圖像，結合衝量理論，定義中心區域與邊側區域分界線；最後基於分形理論實現焊接界面形貌差異定量描述。 (5)利用(4)所形成的結論，結合分維是熵的度量之物理意義建立界面結構熵，導出波狀焊接界面微觀結合面積計算式；結合內聚力模型，闡述界面結構對複合性能影響的能量關係式，實現界面結構與斷裂性能的定量分析。 (6)基於(5)的結論，嘗試建立界面剪下強度與斷口輪廓分維值及其多重分形譜關係。結果表明焊接界面剪下強度在數值上與分維值及多重分形譜呈正相關。 本項目成功建立了爆炸焊接波狀界面形貌定量表征方法，導出了界面分維值與對應結合能關係式，從而實現焊接界面形貌結構及對應失效行為量化分析，為焊接界面性能定量評價指供理論指導。按照預期計畫完成了項目研究。