孔隙類(lèi)工程材料的靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究和在防護(hù)工程中的應(yīng)用.pdf

1、研究既有良好吸能消波效果又有較高強(qiáng)度的新型材料及其相應(yīng)配置防護(hù)層在防護(hù)工程中具有重要應(yīng)用價(jià)值，也具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。本文以成層式防護(hù)工程為研究背景，結(jié)合含孔隙材料中的空穴對(duì)應(yīng)力波的繞射隔離效應(yīng)和消波效應(yīng)，研究制備了一種新型的硅鋁質(zhì)泡沫陶瓷材料，在此基礎(chǔ)上研制了具有母體材料微孔隙-殼體內(nèi)穴-殼間空穴的三重空穴隔離效果的空殼顆粒材料，并將其應(yīng)用到成層式防護(hù)工程的分配層中，考察該種新型材料對(duì)爆炸波的削弱作用。首先采用理論分析、動(dòng)靜態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和

2、數(shù)值計(jì)算等方法來(lái)對(duì)孔隙率為75％的硅鋁質(zhì)泡沫陶瓷材料的動(dòng)靜態(tài)力學(xué)性質(zhì)和本構(gòu)模型進(jìn)行分析和討論;然后再將空殼顆粒材料應(yīng)用到成層式地下防護(hù)結(jié)構(gòu)的分配層中進(jìn)行化爆模擬試驗(yàn)，并與傳統(tǒng)黃沙分配層的消波效果進(jìn)行對(duì)比，并揭示了新材料和防護(hù)層的優(yōu)勢(shì);最后以對(duì)非均質(zhì)復(fù)雜防護(hù)層進(jìn)行“等效本構(gòu)模擬”的思想，對(duì)化爆試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析了有關(guān)參數(shù)的影響，說(shuō)明了方法的工程適用性。以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，提出了三種不同的函數(shù)來(lái)描述混凝土材料的應(yīng)變率效應(yīng)，并以長(zhǎng)桿彈侵徹

3、混凝土靶板試驗(yàn)為依據(jù)進(jìn)行了抗侵徹?cái)?shù)值模擬。研究成果對(duì)于新型的泡沫陶瓷材料和混凝土類(lèi)材料在民用和軍事領(lǐng)域的研發(fā)和推廣具有一定的參考價(jià)值。本文的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　利用MTS（Material Test System，材料試驗(yàn)機(jī)），對(duì)硅鋁質(zhì)泡沫陶瓷材料進(jìn)行不同應(yīng)變率下準(zhǔn)靜態(tài)一維應(yīng)力壓縮實(shí)驗(yàn)，得到了應(yīng)力應(yīng)變曲線、屈服強(qiáng)度和楊氏模量等力學(xué)參數(shù)，結(jié)果顯示其屈服強(qiáng)度和屈服應(yīng)變均隨著應(yīng)變率的增加而增大。通過(guò)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行最小二乘法

4、擬合，提出了一種形式簡(jiǎn)單的單參數(shù)唯象學(xué)本構(gòu)模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與擬合結(jié)果符合良好。同時(shí)對(duì)該種材料進(jìn)行低應(yīng)變率下含卸載的準(zhǔn)靜態(tài)一維應(yīng)變單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，直接測(cè)得了應(yīng)力應(yīng)變曲線、屈服強(qiáng)度、屈服應(yīng)變和軸向彈性模量，發(fā)現(xiàn)材料的屈服應(yīng)力隨著應(yīng)變率的增加而增大。從廣義胡克定律出發(fā)，根據(jù)一維應(yīng)力和一維應(yīng)變加載下測(cè)得的軸向彈性模量計(jì)算得到了材料的泊松比。最后根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)材料在不同應(yīng)變率下的壓縮吸能效果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果顯示材料的能量吸收值隨著應(yīng)變率的而提

5、高而增加。
　　利用SHPB（Split Hopkinson Pressure Bar，分離式霍普金森壓桿）對(duì)硅鋁質(zhì)泡沫陶瓷材料進(jìn)行了較高應(yīng)變率(0s-1100s-1)下的沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)直接測(cè)得了應(yīng)力應(yīng)變曲線、屈服強(qiáng)度和楊氏模量等力學(xué)參數(shù)，并探討了屈服強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)。對(duì)脆性泡沫材料的SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)作了針對(duì)性的研究，并通過(guò)使用大尺寸壓桿、橡膠質(zhì)波形整形器和半導(dǎo)體應(yīng)變片來(lái)改進(jìn)脆性泡沫材料的動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)技術(shù)。結(jié)果顯示，新方法能更

6、好地保證動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)過(guò)程的等應(yīng)變率特性、試件的應(yīng)力均勻性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性。最后簡(jiǎn)單分析了沖擊加載下材料應(yīng)力應(yīng)變曲線的特征。
　　以分層式防護(hù)結(jié)構(gòu)的消波減震性能為研究背景，將具有三重空穴隔離效應(yīng)的空殼顆粒材料應(yīng)用到成層式防護(hù)結(jié)構(gòu)中。首先對(duì)野外化爆縮尺比試驗(yàn)的相似律問(wèn)題進(jìn)行了理論分析，并對(duì)應(yīng)力波在層狀介質(zhì)中的傳播規(guī)律進(jìn)行了推導(dǎo)。將一種由硅鋁質(zhì)泡沫陶瓷材料燒結(jié)而成的球形中空空殼顆粒材料應(yīng)用到防護(hù)結(jié)構(gòu)的分配層中，通過(guò)大尺比野外化爆試驗(yàn)對(duì)

7、比分析了傳統(tǒng)的黃沙分配層和空殼顆粒材料分配層在爆炸載荷下對(duì)爆炸波的消弱效果。結(jié)果顯示，空殼顆粒材料比黃沙具有更強(qiáng)的消波耗能效應(yīng)，前者所構(gòu)建的分配層對(duì)應(yīng)力波峰值的衰減幅度比后者要高出40％以上，而且空殼顆粒構(gòu)建的分配層在二次爆炸加載過(guò)程中也能夠大幅削弱爆炸波強(qiáng)度。最后以對(duì)爆炸載荷應(yīng)力波衰減效果為目標(biāo)提出了一種對(duì)非均質(zhì)復(fù)雜防護(hù)層進(jìn)行等效本構(gòu)模擬的思想，利用等效本構(gòu)模型和有限元計(jì)算軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)集中藥包爆炸條件下爆炸波衰減效

8、果進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示所選材料本構(gòu)能較好地描述空殼顆粒材料在防護(hù)結(jié)構(gòu)中的消波效應(yīng)。
　　在對(duì)混凝土類(lèi)材料的幾種常用的本構(gòu)模型進(jìn)行對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)高低應(yīng)變率下的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)C40混凝土單軸壓縮屈服強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)進(jìn)行了研究，經(jīng)擬合得出了屈服強(qiáng)度與應(yīng)變率之間的分段線性表達(dá)式、連續(xù)過(guò)度的冪次型函數(shù)表達(dá)式和雙對(duì)數(shù)平面內(nèi)的指數(shù)函數(shù)表達(dá)式。以長(zhǎng)桿彈侵徹鋼纖維混凝土靶板的模擬試驗(yàn)為依據(jù)，利用有限元計(jì)算軟件ANSYS/LS-DYNA