高速液体撞击下固体材料内的应力波传播

中国科学 G辑 物理学 力学 天文学 2004, 34(5): 577~590 577 高速液体撞击下固体材料内的应力波传播*

施红辉

(中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室, 北京100080;

浙江理工大学机械与自动控制学院, 杭州310018) ＊＊

J. E. Field

(Cavendish Laboratory, Cambridge University, Madingly Road, Cambridge CB3 0HE, UK)

摘要 用速度为450 m/s的水射流对具有复杂表面形状的有机玻璃材料进行了冲击实验. 试验表面有转角缺口干涉

105幅的摄影速度. 用速度为850 m/s的水射流, 试验

了侧向射流对有机玻璃板的冲击破坏力. 实验发现, 固体内的应力波及其传播行为不但与固体的几何形状有关, 而且与液体接触固体表面时的状态有关. 实验证明, 侧向射流具有足够的破坏力, 虽然其头部可能是由小尺寸的雾滴组成. 实验结果将有助于进一步详细分析在高速液/固撞击时材料的动态受力状态.

关键词 高速液/固冲击 应力波 固体的力学性质 高速摄影

高速液/固冲击现象常见于水射流切割技术[1]航空飞行器的雨滴侵蚀[2]以及大功率蒸汽轮机的叶片水蚀1) 等技术领域. 近年来, 中国空气动力研究与发展中心报道了超高速弹头雨滴侵蚀的实验结果[3]; 西安交通大学报道了高速液滴冲击固体表面时的数值计算结果[4]. 在分析材料在液体冲击下的破坏机理时[5,6], 需要了解固体内的动态应力状态, 因此也必须了解应力波的传播行为.

根据固体的弹性波理论[7], 当固体表面受到一个冲击载荷时, 在固体内部产2003-09-08收稿, 2004-03-31收修改稿

*部分得到西安交大唐照千留学奖学金以及中国科学院“百人计划”基金资助项目

** E-mail: hhshi@http://wendang.chazidian.com

1) 施红辉. 湿蒸汽透平级动叶片水滴撞击侵蚀破坏的理论与实验研究. 西安

578　中国科学 G辑 物理学 力学 天文学 第34卷　生压缩波(compression wave)和剪切波(shear wave), 在表面上产生瑞利表面波(Rayleigh wave); 当压缩波沿自由面传播时, 还会出现被称之为头波(head wave)的剪切波, 它的出现是为了抵消压缩波对自由面造成的应力. 这些应力波在固体内的传播行为, 与表面的受力状态以及表面形状有关. 当一个高速液滴(射流)与固体表面接触时, 在表面上会产生速度为冲击速度几倍的侧向射流(side or lateral jetting)1). 速度很高的侧向射流使得固体内出现强剪切波, 从而容易造成脆性材料亚表面层的剪切带的生成[8].

以蒸汽轮机叶片为例, 要完全避免水滴侵蚀是不可能的. 在经过一段时间运行后, 叶片表面会出现轻度的侵蚀损伤, 而此时叶片还有相当长的使用寿命. 因此, 水滴往往撞击在粗糙表面而不是光滑表面. 在参考文献[9]中, 施红辉等人研究了由于表面形状的改变, 对撞击压力台阶

理论[10]和地震波预测. 斜坡等的实验结果, 重点是应力波的复杂传播行为. 与该研究相关连的工作可见超声波探伤

1 实验装置与方法

实验是在英国剑桥大学卡文迪许实验室用单次撞击射流装置(SIJT)进行的. 图1示出了SIJT装置的示意图以及高速摄影系统. 先从内径为5.59 mm的高压氮气气枪发射一颗铅弹, 铅弹撞击用橡皮垫圈密封在不锈钢喷嘴里的液体. 铅弹的撞击在喷嘴内产生高压, 然后高压驱动液体流出直径为0.8 mm的喷嘴出口, 从

图1 高速液/固冲击实验装置及高速摄影系统

1) 见577页脚注1)

第5期　施红辉等: 高速液体撞击下固体材料内的应力波传播　579 而形成高速液体射流. 射流速度通过调节储气室的压力和电磁阀来控制. 一台Imacon高速摄影机拍摄了射流与有机玻璃之间的冲击过程. 采用单色背景光闪光灯作光源. 为了观察固体内的应力波, 加入了一对线性偏振光片. 在进行高速摄影时, 根据实验条件的不同, 分别采用了每秒106幅和每秒5105幅的摄影速度, 来观察应力波和侧向射流. 实验前, 还用光导纤维对射流冲击速度进行了标定. 试验用的有机玻璃材料厚度均为25 mm, 有机玻璃为英国ICI公司制品. 2 实验结果

2.1 应力波在转角的反射

图2示出了450 m/s水射流撞击直角有机玻璃的高速摄影照片, 在照片上的水射流自上而下运动. 图2(1)中, 射流头部刚接触固体表面. 仅仅经过1 µs时间, 到了图2(2), 应力波已出现在固体中; 同时侧向射流(在图中标有记号J)产生并沿

固体表面运动, 侧向射流速度达到1324 m/s.

随着应力波向固体内部传播, 可以分辨出压缩波(图2(5)中记号C)和剪切波(图2(9)中记号S). 压缩波和剪切波在左边自由面上反射. 首先, 压缩波的反射产生了一个反射纵波(图2(6)中记号C’)和一个反射横波(图2(7)中记号S’). 波C的入射角等于波C’的反射角. 入射角和反射角的定义是, 边界垂直线和波前垂直线之间的夹角. 波S’的反射角可根据Snell定律获得[11]. 在图2中, 波C’的入射角是65.

横波在自由面上的反射, 通常也产生一个反射横波和一个反射纵波. 然而, 如果波的入射角大于其临界角, 反射纵波不但不会出现, 而且会成为一种表面 波[12]. 入射横波与反射横波的振幅比是 1, 所以这两个波是模式相反的. 有机玻璃的临界角是25

高2 mm的缺口abcd. 在离开缺口右边一定距离处, 450 m/s水射流撞击固体表面(图3(A)中的白色箭头). 冲击产生的应力波向左传播, 将在b点发生衍射. 图3中, 1入射压缩波, 2入射剪切波, 3头波, 4衍射纵波(因为照片翻拍, 波前位置线变淡

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图2 应力波在直角转角处的反射

450 m/s水射流撞击有机玻璃块. 图中C示入射压缩波; C 示C的反射纵波, 它是一个张力波; S 示C的反射横波; S示入射剪切波; St示S的反射横波; Sc示S在转角反射回来的横波; Rt示绕过转角的透射表面波; Rr示从转角反射回来的表面波; H示头波; J示侧向射流. 注意波S 与波St相干. 波S的反射纵波变成了一个表

面波, 因为它的入射角大于临界角. 相邻照片时间间隔为1 µs

而不容易辨认, 但仔细观察后还是可以看出衍射波的部分圆线), 5衍射头波(它的波速被测为1396m/s, 所以它是一种剪切波), 6(图3(E))入射剪切波的衍射横波, J(图3(C))侧向射流. 根据应力波的狭缝衍射理论[12], 压缩波的衍射同时产生纵波和横波. 但是, 在图3中没有发现压缩波1的衍射横波, 这可能或者是因为它的强度太弱, 或者是因为它与波5(一种剪切波)重叠

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图3 应力波在表面缺口(abcd)处的衍射

450 m/s水射流撞击有机玻璃块. 缺口的b点是发生衍射的位置. 图中1示压缩波; 2示剪切波; 3示头波; 4示衍射纵波; 5示衍射头波, 它的速度被测为1396 m/s, 所以它是一种剪切波; 在E幅照片中的6示波2的衍射横波. A幅照片中的白色箭头示出了撞击位置. C幅照片中的J是侧向射流. 相邻照片时间间隔为2 µs

图4是应力波在一台阶abcd拐角处衍射的高速摄影照片. 450 m/s水射流撞