陶瓷材料的静动态力学性能和损伤特性研究

陶瓷材料的静动态力学性能和损伤特性研究

论文摘要

陶瓷材料因其优异的物理、力学性能,广泛应用在军用防护装甲以及民用发动机部件等方面,在国防及高科技领域起到了极其重要的作用。对陶瓷材料的力学性能、抗冲击特性以及损伤破坏规律的研究,成为国内外防护工程新的发展趋势。总体上来讲,目前对陶瓷材料的研究工作大多是初步且比较分散的,同时国内的研究工作与国外相比还有较大的差距。本文对陶瓷材料的基本静动态力学性能以及损伤破坏特性等方面,通过实验、理论及数值模拟相结合的较为全面的研究工作,较深刻地揭示陶瓷材料的抗侵彻机理。论文利用系列静动态力学性能实验装置(MTS、SHPB、 LGG及侵彻),开展了AD95与AD86/10两种陶瓷材料的静动态力学性能实验。利用MTS实验装置获得了材料在较低应变率下的强度、泊松比、杨氏模量等参数,以及低应变率下的应力应变曲线。利用SHPB实验装置获得了两种陶瓷材料在中高应变率下的屈服强度,并发现材料的应变率硬化效应。利用极高应变率下的LGG实验装置,获得了材料的自由面速度时程曲线以及层裂强度。开展了两种陶瓷材料抗杆弹侵彻实验,得到了材料的厚度防护系数及质量防护系数,为工程应用提供了依据。以实验研究所获得的基本材料参数及实验数据为基础,得到了陶瓷材料的JH-2本构模型参数。经过理论分析建立了既包含材料应变率效应也包含材料压力相关屈服效应和损伤软化效应的陶瓷材料的含损伤动态屈服准则。分析对比了本构计算的半径回归法与严格增量算法的计算流程及优缺点,以所建立的屈服准则为算例,推导了严格增量算法的计算公式。工程分析方法研究方面,通过同时考虑弹体和靶体材料的应变率效应,严格地以各分区的质量、动量守恒定律为基础,进一步改进了基于流体动力比拟的工程分析方法。应用改进的工程分析方法数值模拟了陶瓷材料的抗侵彻过程,模拟结果与实验结果符合良好。应用量纲分析方法得到了无量纲形式的侵彻相似律模型,并建立了考虑应变率效应时相似律模型的修正公式。数值模拟了SHPB实验中高强度碳化钨垫块所引起的试件轴向应力不均匀现象,并提出了一种合理的添加垫块形式,数值模拟结果显示,新型组合垫块下试件中轴向应力不均匀现象被基本清除;同时应用一维应力波理论得到了修正实验数据的处理方法。这些工作为陶瓷及其它高硬度、高强度材料的动态性能实验数据的准确获取奠定了基础。以细观分析和物理统计思想为基础,建立了陶瓷材料的拉伸型损伤演化方程以及压剪耦合型损伤演化方程,所建立的演化方程物理概念清晰,待定参数少。应用所得到的JH-2本构模型及参数、拉伸型损伤演化方程、半径回归算法,对LGG实验过程中平板撞击下陶瓷靶板材料的自由面速度时程曲线进行了数值模拟,通过优选得到了损伤演化方程参数;应用所得到的损伤演化方程及参数、所建立的陶瓷材料的双幂次屈服准则、本构计算的严格增量算法对同一问题进行了数值模拟,模拟结果与实验结果符合良好,证明了所建立的屈服准则、所应用的本构增量算法和所采用的损伤演化方程及参数的合理性。

论文目录

  • 致谢
  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 目录
  • 第1章 绪论
  • 1.1 选题的背景和意义
  • 1.2 文献综述及研究现状
  • 1.3 本文主要工作
  • 参考文献
  • 第2章 陶瓷材料静动态力学性能及抗侵彻特性的实验研究
  • 2.1 引言
  • 2.2 准静态力学性能(MTS)实验研究
  • 2.2.1 实验方法及技术
  • 2.2.2 实验结果
  • 2.3 SHPB实验研究
  • 2.3.1 实验方法及技术
  • 2.3.2 实验结果
  • 2.4 平板撞击实验研究
  • 2.4.1 实验方法及技术
  • 2.4.2 实验结果
  • 2.5 抗侵彻实验研究
  • 2.5.1 实验方法及技术
  • 2.5.2 实验结果
  • 2.6 本章小结
  • 参考文献
  • 第3章 陶瓷材料的本构关系研究
  • 3.1 引言
  • 3.2 JH-2本构模型的描述及拟合
  • 3.3 含损伤压力相关屈服准则的建立
  • 3.3.1 以对数形式应变率相关的本构
  • 3.3.2 以幂次形式应变率相关的本构
  • 3.4 增量型本构关系的精确本构算法
  • 3.4.1 半径回归法
  • 3.4.2 严格的增量型本构计算方法
  • 3.4.3 具体算例
  • 3.5 本章小结
  • 参考文献
  • 第4章 陶瓷材料损伤演化方程研究
  • 4.1 引言
  • 4.1.1 金属材料的损伤演化模型
  • 4.1.2 脆性材料的损伤演化模型
  • 4.1.3 拉伸型损伤与压剪耦合损伤模型
  • 4.2 陶瓷材料的有核长大拉伸型损伤演化方程
  • 4.3 压剪耦合损伤损伤演化方程
  • 4.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第5章 抗侵彻工程分析方法研究
  • 5.1 引言
  • 5.1.1 工程分析方法的基本思想
  • 5.1.2 几种简化的工程分析模型
  • 5.2 考虑应变率效应的准一维侵彻工程分析模型
  • 5.2.1 侵彻简化物理模型及其假定
  • 5.2.2 以各分区的质量和动量守恒定律推导基本方程组
  • 5.2.3 应变率效应
  • 5.3 本章小结
  • 参考文献
  • 第6章 陶瓷性能实验方法和抗侵彻规律的数值模拟研究
  • 6.1 引言
  • 6.2 对陶瓷材料SHPB实验方法改进的数值模拟研究
  • 6.2.1 实验条件
  • 6.2.2 圆柱及圆台形垫块下试件轴向应力分布不均匀现象的数值模拟
  • 6.2.3 新型垫块组合下试件轴向应力不均匀现象的数值模拟
  • 6.2.4 新型垫块组合下对实验数据的修正处理方法
  • 6.3 损伤演化方程参数的确定
  • 6.3.1 陶瓷层裂实验数据
  • 6.3.2 数值模拟计算结果
  • 6.3.3 陶瓷材料双幂次屈服准则的应用
  • 6.3.4 严格增量算法的应用
  • 6.3.5 损伤演化方程中各个参数对自由面速度时程曲线的影响
  • 6.4 AD95陶瓷材料抗侵彻数值模拟
  • 6.4.1 AD95陶瓷材料的抗侵彻过程的数值模拟
  • 6.4.2 计入应变率效应的工程分析
  • 6.5 本章小结
  • 参考文献
  • 第7章 陶瓷靶和钢靶抗侵彻规律的量纲分析和相似律研究
  • 7.1 引言
  • 7.1.1 量纲分析的基本理论
  • 7.1.2 量纲分析的基本方法
  • 7.1.3 量纲分析方法与相似模拟的讨论
  • 7.2 应用工程分析方法对子弹侵彻半无限厚靶板问题相似律的研究
  • 7.2.1 模型回顾
  • 7.2.2 相似律分析
  • 7.2.3 计及材料应变率效应的影响
  • 7.3 平头长杆弹侵彻有限厚度靶板,剩余弹速的相似律分析
  • 7.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第8章 全文总结与展望
  • 8.1 全文总结
  • 8.2 工作展望
  • 附录:攻读博士学位期间发表的论文
  • 相关论文文献

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