聚合物弹丸的碰撞行为研究

论文摘要

聚碳酸酯是一种无定形的热塑性材料,具有优良的物理机械性能,尤其是耐冲击性优异,性能与一般金属材料十分相似,被称为“透明金属”。利用其透明性和高抗冲击强度,可制作防弹玻璃、飞机的挡风罩、座舱盖等。因此,开展聚碳酸酯力学行为研究,掌握温度、应变率对聚碳酸酯力学性能的影响规律,为聚碳酸酯材料作为冲击防护结构设计提供技术支持;聚合物材料屈服、变形机制的研究也是高分子科学的前沿研究领域,具有较高学术价值,另一方面,在战斗部的设计中,需了解穿靶过程中弹体的动态响应以及影响弹体破坏的主要因素等,从而设计出合理的弹体结构。由于战斗部弹体一般由高强度金属材料制成且弹体结构复杂,难以从现有试验中观察、分析撞靶过程中弹体结构参数对其响应的影响规律,也给相关理论分析和数值模拟工作的模型校验带来较大难度。而用聚碳酸酯材料制作的透明弹丸,可以直观的观测不同弹体的撞击变形或破坏现象,认识弹体在冲击载荷作用下的变形或破坏规律。也可将试验数据能直接用于相关理论分析及数值模拟工作中模型校验和修正,研究弹体撞靶过程的动态破坏规律,建立相应的研究方法,为战斗部的结构设计提供一定的理论依据和技术支撑。本文在分析国内外有关无定形聚合物力学行为及聚合物材料Taylor撞击响应研究的基础上,设计实施了聚碳酸酯材料在宽温度范围、宽应变率范围的力学行为实验研究,对其屈服和塑性变形机理进行了分析,建立了无定形聚合物材料屈服的本构模型;开展了聚碳酸酯弹丸的撞击和穿甲实验研究,采用光塑性分析方法,对聚合物弹丸碰撞的塑性变形行为进行了分析,给出了不同弹丸头形撞击后的变形或破坏的影响规律。论文的主要研究内容、方法和结论如下:①无定形聚合物的屈服和塑性变形机理非常复杂,在不同的变形阶段、不同的实验条件下有不同的机理,在变形过程中构象改变、位错运动和扭结传播同时存在。分子动力学模拟表明:在弹性区域,体系的总势能和各势能分量随应变的增加发生不规则的波动;在屈服点附近,总势能和键伸缩振动能将突然增加,非键作用能（范氏作用能）将减少;在稳定的塑性流动区域,各项能量分量变化不大;在应变硬化阶段,各项能量随应变增加而增大;在拉伸过程中,当应变接近屈服区域时,材料内部的变形是不均匀的,局部出现空隙,进入塑性流动区域时,分子开始发生取向。②聚碳酸酯是一种应变率和温度敏感材料,其流动应力随应变率增加而增大,随温度升高而降低;屈服应力随应变率的变化满足幂律函数关系;其屈服应力在应变率为102/s发生转折,比金属材料低两个数量级;在低于玻璃化温度时,屈服应力与温度的关系满足多项式指数方程,在温度低于-75℃或高于100℃时,有突变现象,屈服可看作是一种应力产生的相变,相当于热力学过程;加载弹性模量随温度升高而降低,随应变率增加而升高;在屈服点前的加、卸载循环压缩表明,加、卸载弹性模量随循环次数的增加而增加,即在粘弹性区域,循环加、卸载也会使聚合物材料发生硬化。③在准静态拉伸条件下,在接近屈服点时表面温度开始上升,在应变软化阶段温度上升最快,进入稳定的塑性流动区域后,最高温度变化跟随颈缩区域移动,几乎保持不变,既材料进入塑性区域温度到达最高;在动态压缩下,试样中心温度最高,由中心向外逐渐降低,而且温升率和上升的最高温度与应变率有关的。在应变率为2624s-1时,有59%的塑性功转变为热。④聚合物材料在断裂之前,要先发生分子链的滑移,引起局部变形,呈现出变形的不均匀性:对于钝角边缺口试样,断裂之前,应变场沿载荷45度-60度方向到达试样的承受载荷的中心线位置;断面形貌与裂纹传播的速度有关。⑤通过对不同头形的PC弹丸进行了弹速在118m/s～278m/s范围内撞击刚性靶实验研究,表明可以通过测量弹丸撞击刚性靶的压力反映弹体的载荷时间历程;其脉冲宽度主要取决弹丸的长度,弹丸头部越尖,其波形越平滑,弹丸头部越接近平头,其波形振荡越严重。冲击载荷的最大峰值和弹丸的变形受弹丸头部形状的影响较大。⑥通过对三种不同头部形状PC弹丸对纯铝靶和A3钢靶的穿甲实验结果分析表明,PC弹丸穿甲变化规律与金属弹丸穿甲实验的规律相似,三种头部形状的弹丸中,平头弹丸的过载系数最大,半球头弹丸的次之,截锥型相切尖拱弹丸的过载系数最小。高长径比的截锥型相切尖拱弹丸有利于穿甲。⑦不同头形的弹丸在撞击后的塑性变形分析表明,不同头形弹丸内部的变形模式不同,撞击刚性靶和穿甲后引起的弹丸变形模式也不相同,无论是撞击刚性靶还是穿甲,从头部开始逐渐远离头部,都存在变形模式的转变;弹丸在碰撞时主要是头部承受冲击载荷,柱段承受的冲击载荷较小,因此在弹丸设计的选材时,柱段可以选用强度较低的材料。⑧在对一维DSGZ模型分析的基础上,将其转化为三维模型,并以用户子程序的形式将该模型嵌入到大型通用有限元分析程序ABAQUS/Explicit中,不仅较好模拟了聚碳酸酯弹丸的撞击和穿甲响应,也可以直接应用于实际工程分析,增强了DSGZ模型的实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 本项目研究背景和意义
• 1.2 聚合物材料的力学行为和塑性变形机理
• 1.3 聚合物材料有限变形的本构关系及热力耦合行为
• 1.3.1 ZWT 非线性本构关系
• 1.3.2 粘弹塑性本构关系（过应力模型）
• 1.3.3 拟线性本构方程理论
• 1.3.4 DSGZ 唯象本构模型
• 1.3.5 BPA（Boyce-Parks-Argon）模型
• 1.3.6 聚合物变形过程的热力耦合行为
• 1.4 聚合物弹丸碰撞击变形的实验研究
• 1.5 本论文的主要研究内容
• 2 无定形聚合物屈服和塑性变形的机理
• 2.1 引言
• 2.2 璃态聚合物屈服和塑性变形行为的分子机理
• 2.2.1 过渡态理论
• 2.2.2 构象转变理论
• 2.2.3 位错理论
• 2.3 本章小结
• 3 聚碳酸酯力学性能实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 聚碳酸酯力学性能压缩实验
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 低应变率下聚碳酸酯的压缩试验
• 3.2.3 中等应变率下聚碳酸酯的压缩试验
• 3.2.4 高应变率下聚碳酸酯的压缩试验
• 3.3 实验结果分析与讨论
• 3.3.1 应变率对PC 材料流动应力的影响
• 3.3.2 温度对PC 材料流动应力的影响
• 3.4 加卸载弹性模量
• 3.5 塑性功转化为热的实验测定
• 3.5.1 试验方法
• 3.5.2 动态压缩下PC 材料的温度变化
• 3.5.3 PC 材料准静态拉伸时表面温度变化
• 3.6 本章小结
• 4 聚碳酸酯塑性变形的局部化研究
• 4.1 引言
• 4.2 变形局部化的实验研究
• 4.2.1 变形局部化实验方法简介
• 4.2.2 实验结果与分析
• 4.3 聚碳酸酯拉伸变形行为的分子机理
• 4.3.1 分子力学与分子动力学
• 4.3.2 分子力场
• 4.3.3 聚碳酸酯拉伸变形的分子动力学模拟
• 4.4 本章小结
• 5 聚碳酸酯弹丸碰撞试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 聚碳酸酯弹丸撞击刚性靶实验
• 5.2.1 试验装置与方法
• 5.2.2 弹丸形状和弹速范围
• 5.2.3 实验结果与讨论
• 5.3 聚碳酸酯弹丸穿甲实验研究
• 5.3.1 实验简介
• 5.3.2 实验结果
• 5.4 本章小结
• 6 聚碳酸酯弹丸碰撞后的塑性变形分析
• 6.1 引言
• 6.2 光塑性方法基本原理
• 6.2.1 光塑性应变一一光学定律
• 6.2.2 光塑性模型在偏振光场中的光学效应
• 6.2.3 光塑性中的基本求解公式
• 6.3 光塑性试件的制备与测量仪器
• 6.4 撞击和穿甲后PC 弹丸切片的光塑性分析
• 6.4.1 撞击和穿甲后PC 弹丸切片的光塑性定性分析
• 6.4.2 撞击和穿甲后PC 弹丸切片的光塑性定量分析
• 6.5 本章小结
• 7 聚碳酸酯弹丸碰撞数值模拟
• 7.1 引言
• 7.2 确定DSGZ 模型材料参数的试验方法
• 7.2.1 确定材料参数所用的实验曲线
• 7.2.2 模型确认
• 7.3 DSGZ 模型在 Abaqus/Explicit 中的实现
• 7.4 有限元分析模型
• 7.4.1 聚碳酸酯弹丸撞击刚性靶的FEM 分析及结果
• 7.4.2 聚碳酸酯弹丸穿甲的FEM 分析及结果
• 7.5 本章小结
• 8 总结与展望
• 8.1 本文主要结论
• 8.2 本文的主要创新点
• 8.3 未来研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A.不同PC 弹丸穿甲时的靶板变形时间历程曲线
• B. 不同PC 穿甲后的弹丸变形照片
• C.不同PC 弹丸撞击和穿甲后的光塑性照片
• D.攻读学位期间完成的科研项目及发表的学术论文