孔隙类工程材料的静动态力学性能研究和在防护工程中的应用

【摘要】研究既有良好吸能消波效果又有较高强度的新型材料及其相应配置防护层在防护工程中具有重要应用价值,也具有重要的学术价值。本文以成层式防护工程为研究背景,结合含孔隙材料中的空穴对应力波的绕射隔离效应和消波效应,研究制备了一种新型的硅铝质泡沫陶瓷材料,在此基础上研制了具有母体材料微孔隙-壳体内穴-壳间空穴的三重空穴隔离效果的空壳颗粒材料,并将其应用到成层式防护工程的分配层中,考察该种新型材料对爆炸波的削弱作用。首先采用理论分析、动静态力学实验和数值计算等方法来对孔隙率为75%的硅铝质泡沫陶瓷材料的动静态力学性质和本构模型进行分析和讨论；然后再将空壳颗粒材料应用到成层式地下防护结构的分配层中进行化爆模拟试验,并与传统黄沙分配层的消波效果进行对比,并揭示了新材料和防护层的优势；最后以对非均质复杂防护层进行“等效本构模拟”的思想,对化爆试验进行数值模拟,并分析了有关参数的影响,说明了方法的工程适用性。以实验结果为基础,提出了三种不同的函数来描述混凝土材料的应变率效应,并以长杆弹侵彻混凝土靶板试验为依据进行了抗侵彻数值模拟。研究成果对于新型的泡沫陶瓷材料和混凝土类材料在民用和军事领域的研发和推广具有一定的参考价值。本文的主要研究内容和成果如下：利用MTS(MaterialTestSystem,材料试验机),对硅铝质泡沫陶瓷材料进行不同应变率下准静态一维应力压缩实验,得到了应力应变曲线、屈服强度和杨氏模量等力学参数,结果显示其屈服强度和屈服应变均随着应变率的增加而增大。通过对应力应变曲线进行最小二乘法拟合,提出了一种形式简单的单参数唯象学本构模型,实验结果与拟合结果符合良好。同时对该种材料进行低应变率下含卸载的准静态一维应变单轴压缩实验,直接测得了应力应变曲线、屈服强度、屈服应变和轴向弹性模量,发现材料的屈服应力随着应变率的增加而增大。从广义胡克定律出发,根据一维应力和一维应变加载下测得的轴向弹性模量计算得到了材料的泊松比。最后根据应力应变曲线对材料在不同应变率下的压缩吸能效果进行了对比分析,结果显示材料的能量吸收值随着应变率的而提高而增加。利用SHPB(SplitHopkinsonPressureBar,分离式霍普金森压杆)对硅铝质泡沫陶瓷材料进行了较高应变率(0s-100s-1)下的冲击压缩实验,实验直接测得了应力应变曲线、屈服强度和杨氏模量等力学参数,并探讨了屈服强度的应变率效应。对脆性泡沫材料的SHPB实验技术作了针对性的研究,并通过使用大尺寸压杆、橡胶质波形整形器和半导体应变片来改进脆性泡沫材料的动态压缩实验技术。结果显示,新方法能更好地保证动态压缩实验过程的等应变率特性、试件的应力均匀性和实验结果的一致性。最后简单分析了冲击加载下材料应力应变曲线的特征。以分层式防护结构的消波减震性能为研究背景,将具有三重空穴隔离效应的空壳颗粒材料应用到成层式防护结构中。首先对野外化爆缩尺比试验的相似律问题进行了理论分析,并对应力波在层状介质中的传播规律进行了推导。将一种由硅铝质泡沫陶瓷材料烧结而成的球形中空空壳颗粒材料应用到防护结构的分配层中,通过大尺比野外化爆试验对比分析了传统的黄沙分配层和空壳颗粒材料分配层在爆炸载荷下对爆炸波的消弱效果。结果显示,空壳颗粒材料比黄沙具有更强的消波耗能效应,前者所构建的分配层对应力波峰值的衰减幅度比后者要高出40%以上,而且空壳颗粒构建的分配层在二次爆炸加载过程中也能够大幅削弱爆炸波强度。最后以对爆炸载荷应力波衰减效果为目标提出了一种对非均质复杂防护层进行等效本构模拟的思想,利用等效本构模型和有限元计算软件ANSYS/LS-DYNA对集中药包爆炸条件下爆炸波衰减效果进行数值模拟,结果显示所选材料本构能较好地描述空壳颗粒材料在防护结构中的消波效应。在对混凝土类材料的几种常用的本构模型进行对比分析的基础上,根据高低应变率下的单轴压缩实验结果对C40混凝土单轴压缩屈服强度的应变率效应进行了研究,经拟合得出了屈服强度与应变率之间的分段线性表达式、连续过度的幂次型函数表达式和双对数平面内的指数函数表达式。以长杆弹侵彻钢纤维混凝土靶板的模拟试验为依据,利用有限元计算软件ANSYS/LS-DYNA对素混凝土和钢纤维混凝土的抗侵彻力学行为进行了三维数值模拟,重点分析了长杆弹的剩余速度、剩余动能和靶板的开坑形态。长杆弹在侵彻前后速度的降低幅值会随着入射速度的增加而增加,但是降低幅值的百分比却随着入射速度的增加而降低。通过对弹体侵彻前后速度的变化、动能的变化和靶板开坑形态的分析,结果显示钢纤维含量为3.0%的钢纤维混凝土比素混凝土具有更好的抗侵彻能力。
【作者】李煦阳；
【导师】李永池；任辉启；
【作者基本信息】中国科学技术大学，工程力学，2014，博士
【关键词】泡沫陶瓷；力学性能；一维应力；一维应变；防护工程；分配层；化爆试验；混凝土本构理论；抗侵彻；数值模拟；

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