多胞材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)及其抗爆性能分析.pdf

1、多胞材料具有優(yōu)越的抗爆炸抗沖擊性能，常被用作車輛，高鐵，航空航天等領(lǐng)域的能量吸收結(jié)構(gòu)和耐撞裝置。在準(zhǔn)靜態(tài)加載速率下，多胞材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出彈性段、平臺(tái)段和壓實(shí)段，且該應(yīng)力應(yīng)變曲線可以認(rèn)為是多胞材料在準(zhǔn)靜態(tài)下的本構(gòu)行為。在動(dòng)態(tài)沖擊下，多胞材料的力學(xué)行為表現(xiàn)出變形局部化和應(yīng)力增強(qiáng)兩個(gè)特征，但其動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線到目前為止并不清楚。最近，Zheng等通過細(xì)觀有限元模型結(jié)合局部應(yīng)變場和邊界應(yīng)力得到了多胞材料在高速?zèng)_擊下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)點(diǎn)，并提

2、出了相應(yīng)的率相關(guān)、剛性-塑性硬化(D-R-PH)沖擊波模型，但該研究也僅僅適用于高速?zèng)_擊下的情形。在中等沖擊速度下，多胞材料的變形模式不再是逐層壓潰的壓縮行為，很難再通過單一的沖擊波理論來進(jìn)行近似表征，故在中等沖擊速度下的多胞材料的力學(xué)行為研究變得極為困難。本文利用波傳播法（該方法不需要依賴于材料本構(gòu)或沖擊波假定）研究多胞材料在動(dòng)態(tài)沖擊下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)點(diǎn)，揭示了多胞材料在不同沖擊速度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，并得到了一條完整的、唯一的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)

3、變曲線。除此之外，本文還探究了多胞犧牲層在爆炸載荷下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，并提出了多胞犧牲層臨界長度的經(jīng)驗(yàn)公式和漸近解。
　　波傳播法是通過材料試樣傳播信息結(jié)合初始/邊界條件來反推材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線的一種方法，其最大優(yōu)勢為不需要提前引入材料試樣的本構(gòu)假定。本文基于多胞材料的細(xì)觀有限元模型的Taylor沖擊實(shí)驗(yàn)，通過Lagrangian分析法（一種波傳播法）研究了多胞材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為并得到了多胞材料在不同沖擊速度下的局部應(yīng)力應(yīng)變曲線。局

4、部應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出彈性加載，塑性變形和彈性卸載三個(gè)階段，通過提取局部應(yīng)力應(yīng)變曲線中卸載段前的臨界應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)點(diǎn)，本文得到一條動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線。該動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線與Taylor沖擊實(shí)驗(yàn)的初速度無關(guān)，卻依賴于多胞材料的變形模式（準(zhǔn)靜態(tài)，過渡和沖擊模式）。與準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線比較，動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線中的壓實(shí)段表現(xiàn)出更強(qiáng)的塑性硬化效應(yīng)，由此可得出多胞材料的率效應(yīng)在動(dòng)態(tài)沖擊研究中并不能被忽略。在沖擊模式下，多胞材料的壓實(shí)應(yīng)變比準(zhǔn)靜態(tài)下的應(yīng)變大很多

5、，該現(xiàn)象表明在動(dòng)態(tài)沖擊下，多胞材料被壓得更加密實(shí);而在過渡模式下，多胞材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力明顯比準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力高，表明在過渡模式下的局部慣性效應(yīng)并不能忽略。本文還進(jìn)一步分析了多胞材料的應(yīng)變率敏感性和速率敏感性，結(jié)果表明多胞材料的初始?jí)簼?yīng)力表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率敏感性，而壓實(shí)段呈現(xiàn)出速率敏感性。
　　在高速?zèng)_擊下，多胞材料的動(dòng)態(tài)行為可以通過沖擊波模型近似表征。然而許多沖擊波模型參數(shù)確定均基于多胞材料的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線，并沒有考慮動(dòng)態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)

6、變特征。本文通過提取多胞材料在動(dòng)態(tài)沖擊下的特征關(guān)系，如沖擊波速度和沖擊速度之間的關(guān)系，波后應(yīng)變和沖擊速度之間的關(guān)系等，分析各個(gè)沖擊波模型的合理性和可靠性。結(jié)果表明在高速?zèng)_擊下，率相關(guān)、剛性-塑性硬化模型能很好地表征多胞材料的動(dòng)態(tài)行為。根據(jù)跨過沖擊波波陣面的守恒條件，給出了反測多胞材料的D-R-PH沖擊波模型參數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法。
　　在應(yīng)用方面，多胞材料具有優(yōu)越的能力吸收和抗爆炸性能。本文采用剛性-塑性硬化模型(R-PH)分析了多胞犧牲

7、層在爆炸載荷下的力學(xué)性能。對多胞犧牲層在三角爆炸載荷作用下的應(yīng)力波傳播建立了一維沖擊波模型，得到了沖擊波在多胞犧牲層中傳播的控制方程，并揭示了沖擊波在多胞犧牲層中的傳播特征。通過參數(shù)分析法揭示了多胞犧牲層中附加質(zhì)量塊質(zhì)量和爆炸載荷強(qiáng)度對犧牲層設(shè)計(jì)結(jié)果的影響。本文還將基于剛性-塑性硬化模型(R-PH)和剛性-理想塑性-鎖定模型(R-PP-L)設(shè)計(jì)的多胞犧牲層的抗爆炸性能進(jìn)行對比，說明基于R-PP-L模型設(shè)計(jì)的多胞犧牲層存在著風(fēng)險(xiǎn)性和不合理

8、性。多胞犧牲層的臨界長度，即犧牲層恰好吸收完爆炸載荷時(shí)的長度，為工程設(shè)計(jì)比較關(guān)心的一個(gè)指標(biāo)。因此，本文通過量綱分析研究了多胞犧牲層臨界長度，分析結(jié)果表明多胞犧牲層臨界長度主要跟三個(gè)無量綱參數(shù)有關(guān)系，并通過控制變量法得到了多胞犧牲層的經(jīng)驗(yàn)公式。本文進(jìn)一步通過正則攝動(dòng)法分析得到了多胞犧牲層臨界長度的漸近解。然而，復(fù)雜的漸近解形式將限制其在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，所以本文建議在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)選擇形式簡單的經(jīng)驗(yàn)解作為多胞犧牲層的臨界長度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。最后