工程材料的損傷破壞機(jī)理的實(shí)驗(yàn)理論及數(shù)值計(jì)算.pdf

1、在第二次世界大戰(zhàn)以后，由于常規(guī)武器和戰(zhàn)略武器的迫切需要，材料和結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究在以美國和俄羅斯為代表的國家得到了迅猛發(fā)展。伴隨著對材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究，材料在沖擊載荷下的損傷演化和破壞規(guī)律的研究也隨之興起。材料的損傷破壞規(guī)律研究不僅在國防領(lǐng)域有著直接的應(yīng)用價(jià)值，而且在學(xué)術(shù)界有著重要的價(jià)值。
　　 這些問題涉及諸多交叉的前沿學(xué)科，例如材料本構(gòu)理論、損傷力學(xué)、瞬態(tài)計(jì)算力學(xué)方法和沖擊工程等，問題的復(fù)雜性使得研究工作遠(yuǎn)不夠完善。開展

2、這些研究必將有利于促進(jìn)這些學(xué)科的發(fā)展。本文研究的范疇主要是，各類工程材料在動(dòng)載荷作用下因材料內(nèi)部的微細(xì)的不可逆缺陷而引起損傷演化、發(fā)展并最終導(dǎo)致破壞的過程。如今，人們逐漸從傳統(tǒng)的宏觀現(xiàn)象研究深入至細(xì)觀結(jié)構(gòu)的研究，本文正是基于這樣的想法，采用細(xì)觀理論和宏觀唯象相結(jié)合的方法，提出了各種工程材料不同類型的損傷模型，揭示了材料的損傷模式與破壞形態(tài)之間的內(nèi)在聯(lián)系。
　　 本文第一部分針對延性金屬的拉伸損傷進(jìn)行了全面而系統(tǒng)的研究，給出了兩種

3、新的以平均拉應(yīng)力為基礎(chǔ)的拉伸型損傷演化方程，即修正的Tuler-Butcher模型和微孔洞有核增長模型，兩種模型更加細(xì)致的刻畫了延性金屬拉伸損傷，且更加符合現(xiàn)實(shí)情況，更具物理意義，通過模擬D6AC鋼和45鋼層裂實(shí)驗(yàn)，一維接觸爆炸試驗(yàn)等一系列的數(shù)值模擬，全面而細(xì)致地證實(shí)了該損傷演化模型的實(shí)用性。并且結(jié)合試驗(yàn)，給出了一組新的損傷演化方程參數(shù)，討論了材料參數(shù)和損傷演化方程參數(shù)對自由面速度時(shí)程曲線的影響。然后，本文將碎甲彈近似為一維接觸爆炸模型

4、，利用模擬平板撞擊實(shí)驗(yàn)時(shí)獲得的損傷演化方程參數(shù)，計(jì)算了一維近似下碎甲彈引起的層裂，分別考慮了炸藥類別、材料參數(shù)及殼體幾何構(gòu)形對碎甲彈碎甲性能的影響。最后，將本章提出的新的損傷演化方程嵌入HVP（high velocity penetration）有限元代碼中，進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，成功模擬了爆炸載荷下靶板的層裂。
　　 本文第二部分提出了一種金屬熱塑互動(dòng)過程中反映微損傷發(fā)展特性的損傷演化方程，并將之嵌入含損傷熱粘塑性本構(gòu)關(guān)系和高速

5、沖擊軟件HVP之中，成功模擬了高強(qiáng)度彈侵徹鋼靶時(shí)的熱塑互動(dòng)沖塞過程。計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的良好符合說明本文所提出的損傷演化方程、含損傷熱粘塑性本構(gòu)關(guān)系和計(jì)算方法是合理的，為進(jìn)一步更細(xì)致和更精確地刻畫熱塑互動(dòng)損傷的發(fā)生發(fā)展和破壞過程打下了良好的基礎(chǔ)。在殼體結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的變形和破壞規(guī)律的研究中，根據(jù)延性金屬材料兩種不同的損傷模式，采用本文提出的兩類損傷演化方程，即以拉伸應(yīng)力引起的模型和以局域熱塑互動(dòng)變形引起的模型，并結(jié)合從內(nèi)變量理論出

6、發(fā)的含損傷本構(gòu)理論，給出了材料的含損傷本構(gòu)關(guān)系，利用數(shù)值計(jì)算的方法，模擬了內(nèi)聚爆炸載荷下熱粘塑性球殼的熱塑互動(dòng)破壞與層裂破壞。
　　 本文第三部分，討論了脆性材料動(dòng)靜態(tài)損傷和破壞模式，并且提出了一種與延性金屬相似的脆性材料拉伸損傷模型，和一種新型壓剪耦合損傷模型。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法，模擬了鎢合金侵徹AD95陶瓷靶板，給出了AD95陶瓷的JH-2參數(shù)，數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)基本一致，故所得到的參數(shù)是可信的。接著，采用新提出