含损伤热粘塑性本构数值算法和铝锂合金动态响应研究

论文摘要

本文紧密结合国家自然科学基金项目“复合冲击载荷下铝锂合金应力波传播特性及层裂准则研究”(基金号：10272097)，在实验研究的基础上通过理论分析和数值模拟等多种手段相结合的方法，系统地研究了国产新型铝锂合金的动态力学性能、应力波传播和层裂问题。全文包括热力率耦合的含损伤热粘塑性动态本构关系及本构算法研究，高压状态方程研究，损伤演化及层裂准则研究，数值计算程序开发及数值模拟方法研究，复合应力波传播及层裂特性研究。其主要内容包括以下几个方面： 1、含损伤的热粘塑性本构关系及本构的数值算法研究。以冲击动力学中的粘塑性本构计算的需要为背景，分析了多耦合因素含损伤热粘塑性本构关系的一般形式和几种典型常用形式，给出了本构关系严格的增量型计算公式及相应的计算流程；提出了适用于一般的多耦合因素非线性本构关系的计及弹性应变影响的半径回归本构算法，并比较和分析了半径回归算法与严格增量算法之间的计算流程和特点；以理论和实验相结合的方法建立了新型铝锂合金材料的热、力、率、损伤耦合型的动态本构关系，并以不同温度不同应变率下MTS和SHPB实验结果为基础，采用新的拟合方法确定了铝锂合金材料的本构参数；研究了铝锂合金绝热熵增型Hugoniot状态方程，并根据铝锂合金靶板撞击实验结果得到了状态方程的材料参数。 2、材料的损伤演化方程和层裂准则研究。以损伤力学和波动力学为指导，通过细观统计和唯象分析相结合的手段并采用新的推导方法建立了基于材料微观损伤的材料损伤演化方程和微观层裂准则，并以此为依据推导了工程上几种常用的宏观层裂准则，并分析了各参数的物理意义；给出了一种以实验、理论和计算相结合，通过系统地数值模拟由实验测量得到的自由面速度时程曲线确定材料损伤演化方程和层裂准则参数的方法；提出了一种新的评价层裂计算结果与实验结果吻合度的指标，并通过损伤演化方程各参数对层裂信号影响的详细分析，建立了一种确定损伤演化方程参数的优选原则；利用所提出的方法和优选原则确定了铝锂合金材料损伤演化方程和层裂准则的有关材料参数，从而也得到了几种工程层裂准则中的有关参数，并根据不同撞击速度的计算结果得出了一些关于层裂效应的有工程指导意义的结论。 3、一维复合应力波及层裂的数值模拟研究。从研究铝锂合金平板在压剪联合作用下的复合应力波层裂效应入手，建立了包括三种不同本构算法的一维复合应力波有限差分计算程序；首次尝试性地将切应力项嵌入到损伤演化方程内研究了切应力对损伤演化和层裂的影响，并运用数值模拟的方法，通过采用不同的切

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 序论
• 1.1 引言
• 1.2 粘塑性本构模型及铝锂合金动态本构关系研究进展
• 1.3 固体高压状态方程研究进展
• 1.4 损伤力学和层裂问题研究进展
• 1.5 应力波理论发展概述
• 1.6 本文主要的研究工作
• 第二章 含损伤热粘塑性本构关系及本构的几种数值算法
• 2.1 引言
• 2.2 含损伤热粘塑性本构关系的几种形式
• 2.2.1 含损伤热粘塑性本构关系的一般形式
• 2.2.2 含损伤热粘塑性本构关系的常用形式
• 2.2.3 几种典型的含损伤热粘塑性本构的具体形式
• 2.2.4 率形式本构关系严格增量算法的计算流程
• 2.3 含损伤热粘塑性本构的半径回归算法
• 2.3.1 计入弹性应变影响的半径回归算法
• 2.3.2 忽略弹性应变影响的半径回归算法
• 2.3.3 本构半径回归算法的计算流程
• 2.4 铝锂合金改进型Johnson-cook本构参数的确定
• 11-ε₁₁曲线和本构之间的关系'>2.4.1 一维应力下的σ₁₁-ε₁₁曲线和本构之间的关系
• 2.4.2 改进型Johnson-cook本构参数A、B、n的拟合方法
• p_lim、m的拟合方法'>2.4.3 改进型Johnson-cook本构参数c、（?）^p_lim、m的拟合方法
• 2.5 铝锂合金高压状态方程研究
• 2.5.1 引言
• 2.5.2 Hugoniot状态方程及其几种形式
• 2.5.3 铝锂合金Hugoniot材料参数的确定
• 2.6 绝热冲击引起的温升
• 2.7 本章小结
• 第三章 材料损伤演化方程和层裂准则的研究
• 3.1 引言
• 3.2 损伤演化方程的建立
• 3.3 相应工程层裂准则的推导
• 3.3.1 应力率准则
• 3.3.2 应力梯度准则
• 3.3.3 Tuler-Butcher损伤积累准则
• 3.4 实验、理论和计算相结合确定损伤演化方程参数的方法
• 3.4.1 单纯通过实验确定参数的方法
• 3.4.2 铝锂合金层裂的实验结果及分析
• 3.4.3 数值模拟的控制方程及差分方程
• 3.5 铝锂合金层裂计算结果与实验结果的对比及分析
• 3.5.1 评价计算结果与实验结果吻合度的层裂信号
• 3.5.2 各参数分别对层裂信号的影响及确定参数的优选原则
• 3.5.3 铝锂合金计算结果分析及损伤演化方程参数的确定
• 3.6 本章小结
• 第四章 一维复合应力波及层裂的数值模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 复合应力波及层裂数值计算程序的开发
• 4.2.1 控制方程、计算流程及差分格式
• 4.2.2 本构严格增量算法的差分方程
• 4.2.3 计入弹性应变半径回归法的差分方程
• 4.3 铝锂合金平板中复合应力波传播及层裂特性研究
• 4.3.1 平板斜撞击条件下复合应力波数值模拟结果及分析
• 4.3.2 边界载荷作用下复合应力波数值模拟结果及分析
• 4.3.3 平板斜撞击条件下损伤演化及层裂特性
• 4.4 一般粘塑性材料中复合应力波的传播特性研究
• 4.4.1 塑性硬化模量对不同本构算法的精度及复合波的影响
• 4.4.2 材料粘性参数对复合波传播规律的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 二、三维应力波及层裂的数值模拟研究
• DYNA二次开发技术'>5.1 LS_DYNA二次开发技术
• DYNA的理论算法'>5.1.1 LS_DYNA的理论算法
• DYNA自定义本构程序的开发'>5.1.2 LS_DYNA自定义本构程序的开发
• 5.2 二、三维应力波和层裂的数值模拟结果及分析
• 5.2.1 二维轴对称Lagrange算法
• 5.2.2 二维平面应变Lagrange算法
• 5.2.3 二维平面应变SPH算法
• 5.2.4 三维Lagrange算法
• 5.2.5 随机型材料的三维Lagrange算法
• 5.3 本章小结
• 第六章 全文总结及展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 主要创新之处
• 6.3 今后研究展望
• 参考文献
• 附录:作者在攻读博士学位期间发表的论文