工程材料的損傷破壞機理的實驗理論及數(shù)值計算.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，材料和結構的動態(tài)響應研究在以美國和俄羅斯為代表的國家得到了迅猛發(fā)展。伴隨著對材料動態(tài)力學性能的研究，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域有著直接的應用價值，而且在學術界有著重要的價值。
　　 這些問題涉及諸多交叉的前沿學科，例如材料本構理論、損傷力學、瞬態(tài)計算力學方法和沖擊工程等，問題的復雜性使得研究工作遠不夠完善。開展

2、這些研究必將有利于促進這些學科的發(fā)展。本文研究的范疇主要是，各類工程材料在動載荷作用下因材料內部的微細的不可逆缺陷而引起損傷演化、發(fā)展并最終導致破壞的過程。如今，人們逐漸從傳統(tǒng)的宏觀現(xiàn)象研究深入至細觀結構的研究，本文正是基于這樣的想法，采用細觀理論和宏觀唯象相結合的方法，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)之間的內在聯(lián)系。
　　 本文第一部分針對延性金屬的拉伸損傷進行了全面而系統(tǒng)的研究，給出了兩種

3、新的以平均拉應力為基礎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，兩種模型更加細致的刻畫了延性金屬拉伸損傷，且更加符合現(xiàn)實情況，更具物理意義，通過模擬D6AC鋼和45鋼層裂實驗，一維接觸爆炸試驗等一系列的數(shù)值模擬，全面而細致地證實了該損傷演化模型的實用性。并且結合試驗，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驗時獲得的損傷演化方程參數(shù)，計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關系和高速

5、沖擊軟件HVP之中，成功模擬了高強度彈侵徹鋼靶時的熱塑互動沖塞過程。計算結果和實驗結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關系和計算方法是合理的，為進一步更細致和更精確地刻畫熱塑互動損傷的發(fā)生發(fā)展和破壞過程打下了良好的基礎。在殼體結構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，即以拉伸應力引起的模型和以局域熱塑互動變形引起的模型，并結合從內變量理論出

6、發(fā)的含損傷本構理論，給出了材料的含損傷本構關系，利用數(shù)值計算的方法，模擬了內聚爆炸載荷下熱粘塑性球殼的熱塑互動破壞與層裂破壞。
　　 本文第三部分，討論了脆性材料動靜態(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)值模擬和實驗結合的方法，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)值模擬的結果與實驗基本一致，故所得到的參數(shù)是可信的。接著，采用新提出