多胞材料的動態(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、平臺段和壓實段，且該應(yīng)力應(yīng)變曲線可以認為是多胞材料在準靜態(tài)下的本構(gòu)行為。在動態(tài)沖擊下，多胞材料的力學行為表現(xiàn)出變形局部化和應(yīng)力增強兩個特征，但其動態(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沖擊下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)點，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沖擊下的情形。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行近似表征，故在中等沖擊速度下的多胞材料的力學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）研究多胞材料在動態(tài)沖擊下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)點，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態(tài)力學性能，并提出了多胞犧牲層臨界長度的經(jīng)驗公式和漸近解。
　　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觀有限元模型的Taylor沖擊實驗，通過Lagrangian分析法（一種波傳播法）研究了多胞材料的動態(tài)力學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，本文得到一條動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線。該動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線與Taylor沖擊實驗的初速度無關(guān)，卻依賴于多胞材料的變形模式（準靜態(tài)，過渡和沖擊模式）。與準靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線比較，動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線中的壓實段表現(xiàn)出更強的塑性硬化效應(yīng)，由此可得出多胞材料的率效應(yīng)在動態(tài)沖擊研究中并不能被忽略。在沖擊模式下，多胞材料的壓實應(yīng)變比準靜態(tài)下的應(yīng)變大很多

5、，該現(xiàn)象表明在動態(tài)沖擊下，多胞材料被壓得更加密實;而在過渡模式下，多胞材料的動態(tài)應(yīng)力明顯比準靜態(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壓潰應(yīng)力表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率敏感性，而壓實段呈現(xiàn)出速率敏感性。
　　在高速沖擊下，多胞材料的動態(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靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線，并沒有考慮動態(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，分析各個沖擊波模型的合理性和可靠性。結(jié)果表明在高速沖擊下，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)的實驗方法。
　　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)量和爆炸載荷強度對犧牲層設(shè)計結(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)計的多胞犧牲層的抗爆炸性能進行對比，說明基于R-PP-L模型設(shè)計的多胞犧牲層存在著風險性和不合理

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的長度，為工程設(shè)計比較關(guān)心的一個指標。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)驗公式。本文進一步通過正則攝動法分析得到了多胞犧牲層臨界長度的漸近解。然而，復雜的漸近解形式將限制其在工程設(shè)計中的應(yīng)用，所以本文建議在工程設(shè)計中應(yīng)當選擇形式簡單的經(jīng)驗解作為多胞犧牲層的臨界長度設(shè)計標準。最后