不同冲击方式下飞行器内部含缺陷脆性固体的力学行为研究
发布时间：2021-11-29 01:19
随着科学技术水平的不断进步以及国防安全需求的不断提升,当今的航空航天类飞行器已经全面进入高速、高动压、高过载的“三高”时代。在如此严峻的力学环境条件下,飞行器极易受到冲击作用的影响,导致其受损、失效乃至发生爆炸,造成无法估量的后果。这主要是因为在航空航天类飞行器的内部除了高强度金属和电子元器件外,还包含有大量的脆性固体,如导弹战斗部内的含能材料、航天飞机机身隔热陶瓷以及战斗机的座舱风挡等。这些脆性固体在制造或合成的过程中不可避免的会在其内部引入孔洞、裂纹、杂质等缺陷,导致其对冲击作用比较敏感。在冲击作用下,飞行器内部含缺陷脆性固体的力学行为会直接影响飞行器本身的可靠性、安全性以及战场生存能力。因此,本文选取飞行器内部脆性固体的典型代表——聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate,英文缩写PMMA,俗称有机玻璃）作为研究对象,并在其内部人为预置圆孔型缺陷,以所建立的脆性固体数学模型为基础,综合运用固体力学、冲击波物理以及材料科学领域内的专业知识和研究方法,采用实物实验与有限元模拟相结合的研究手段,全面对比研究了纳秒激光冲击方式（低压短脉冲）和分离式霍普金森压杆冲击...
【文章来源】：西北工业大学陕西省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：138 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 冲击加载方式与诊断技术
1.2.1 主要冲击加载方式
1.2.2 主要诊断技术
1.3 PMMA力学特性的研究现状
1.3.1 不同应变率下的拉压实验研究
1.3.2 断裂扩展与损伤分析
1.3.3 本构方程的建立与数值模拟
1.4 冲击作用下含缺陷脆性固体力学行为的研究现状
1.4.1 实验探索
1.4.2 数值模拟
1.5 本文的主要研究内容
第2章 冲击作用下飞行器内部脆性固体的数学模型
2.1 力学基本模型
2.2 冲击波传播模型
2.2.1 冲击波基础理论
2.2.2 冲击绝热关系
2.2.3 冲击波的反射和透射
2.3 材料模型
2.3.1 状态方程
2.3.2 本构方程
2.3.3 损伤模型
2.4 小结
第3章 纳秒激光冲击实验研究
3.1 激光驱动冲击波产生方法
3.1.1 激光烧蚀层厚度的选择
3.1.2 激光烧蚀过程中冲击压力的估算
3.2 样品靶的设计与制备
3.2.1 样品靶的结构设计
3.2.2 样品层的制备方法
3.2.3 冲击波产生层的制备方法
3.3 时间分辨的激光加载-探测方法
3.3.1 实验设备介绍
3.3.2 光路和电路的布置
3.3.3 具体实验步骤
3.4 实验结果及分析
3.5 小结
第4章 基于纳秒激光加载的仿真分析
4.1 仿真初边值条件与网格划分
4.2 仿真结果及分析
4.2.1 单一圆孔缺陷
4.2.2 双圆孔缺陷
4.3 小结
第5章 SHPB冲击实验研究
5.1 SHPB实验技术
5.2 SHPB实验中存在的问题及处理方法
5.2.1 弥散效应
5.2.2 应力不均匀效应
5.2.3 端面摩擦效应
5.3 超动态应变仪的内部结构与标定方法
5.3.1 超动态应变仪的内部结构
5.3.2 超动态应变仪的标定方法
5.4 实验样品的设计与制备
5.5 实验方案及步骤
5.5.1 实验方案
5.5.2 实验步骤
5.6 实验结果及分析
5.7 小结
第6章 基于SHPB冲击方式的仿真分析
6.1 初边值条件与仿真设置
6.2 仿真结果及分析
6.2.1 直径2mm圆孔缺陷
6.2.2 直径1mm圆孔缺陷
6.3 小结
第7章 总结与展望
7.1 两种冲击方式对比
7.2 主要研究成果
7.3 创新点
7.4 工作展望
参考文献
附录
致谢
攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同爆炸载荷下TA2钛合金圆管膨胀破坏过程[J]. 俞鑫炉,董新龙,潘顺吉. 爆炸与冲击. 2018(01)
[2]爆炸与电磁加载下无氧铜环、柱壳的断裂模式转变[J]. 郭昭亮,范诚,刘明涛,任国武,汤铁钢,刘仓理. 爆炸与冲击. 2017(06)
[3]冲击压缩下PMMA的响应和光学特性[J]. 郝龙,王翔,王青松,康强,黄金. 高压物理学报. 2017(05)
[4]空孔缺陷与邻近运动裂纹的相互作用初探[J]. 丁晨曦,陈程,雷尹嘉,肖成龙. 科学技术与工程. 2017(25)
[5]含裂纹缺陷的脆性材料冲击三点弯曲试验[J]. 丁晨曦,许鹏,王学东,马佳辉. 中国矿业. 2017(03)
[6]用于瞬态高速飞片速度测量的光子多普勒测速系统[J]. 吴立志,陈少杰,叶迎华,沈瑞琪,刘卫. 红外与激光工程. 2016(12)
[7]膨胀环受力历史对应力应变关系的影响[J]. 郭昭亮,范诚,刘明涛,汤铁钢,刘仓理. 爆炸与冲击. 2016(06)
[8]不同角度裂纹缺陷对材料动态断裂行为的影响[J]. 李清,郭洋,田策,钱路,程阳. 科学技术与工程. 2016(28)
[9]爆炸加载下金属缝隙射流定量诊断实验研究[J]. 童慧峰,李庆忠,谷岩,张振涛,管永红. 爆炸与冲击. 2016(05)
[10]适用于自洽强度方法的冲击加载-再加载实验技术[J]. 俞宇颖,谭叶,谭华,戴诚达,彭建祥,李雪梅,吴强,王翔. 爆炸与冲击. 2016(04)
博士论文
[1]高应变率加载下材料变形损伤及相变的微观机理研究[D]. 蔡洋.中国科学技术大学 2017
[2]非理想裂纹准脆性扩展的多尺度分析及其应用[D]. 周胜.东南大学 2017
[3]冲击载荷下脆性颗粒材料多尺度变形破碎特性研究[D]. 黄俊宇.中国科学技术大学 2016
[4]预制缺陷的H-K9L玻璃的动态断裂研究[D]. 胡昌明.中国工程物理研究院 2010
[5]飞机座舱透明件设计理论及应用[D]. 张志林.南京航空航天大学 2005
硕士论文
[1]典型聚合物材料应变率相关本构模型研究[D]. 穆磊金.西南科技大学 2017
[2]基于SHPB的液压膨胀环实验研究[D]. 张佳.宁波大学 2017
[3]爆炸加载下柱壳剪切断裂的机理研究[D]. 俞鑫炉.宁波大学 2014
[4]绝热剪切带形成若干问题研究[D]. 付应乾.宁波大学 2013
[5]超高压锰铜电阻压力计的研制[D]. 冷莹莹.天津大学 2012
[6]二级轻气炮超高速撞击实验测控系统研究[D]. 邓云飞.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3525546
【文章来源】：西北工业大学陕西省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：138 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 冲击加载方式与诊断技术
1.2.1 主要冲击加载方式
1.2.2 主要诊断技术
1.3 PMMA力学特性的研究现状
1.3.1 不同应变率下的拉压实验研究
1.3.2 断裂扩展与损伤分析
1.3.3 本构方程的建立与数值模拟
1.4 冲击作用下含缺陷脆性固体力学行为的研究现状
1.4.1 实验探索
1.4.2 数值模拟
1.5 本文的主要研究内容
第2章 冲击作用下飞行器内部脆性固体的数学模型
2.1 力学基本模型
2.2 冲击波传播模型
2.2.1 冲击波基础理论
2.2.2 冲击绝热关系
2.2.3 冲击波的反射和透射
2.3 材料模型
2.3.1 状态方程
2.3.2 本构方程
2.3.3 损伤模型
2.4 小结
第3章 纳秒激光冲击实验研究
3.1 激光驱动冲击波产生方法
3.1.1 激光烧蚀层厚度的选择
3.1.2 激光烧蚀过程中冲击压力的估算
3.2 样品靶的设计与制备
3.2.1 样品靶的结构设计
3.2.2 样品层的制备方法
3.2.3 冲击波产生层的制备方法
3.3 时间分辨的激光加载-探测方法
3.3.1 实验设备介绍
3.3.2 光路和电路的布置
3.3.3 具体实验步骤
3.4 实验结果及分析
3.5 小结
第4章 基于纳秒激光加载的仿真分析
4.1 仿真初边值条件与网格划分
4.2 仿真结果及分析
4.2.1 单一圆孔缺陷
4.2.2 双圆孔缺陷
4.3 小结
第5章 SHPB冲击实验研究
5.1 SHPB实验技术
5.2 SHPB实验中存在的问题及处理方法
5.2.1 弥散效应
5.2.2 应力不均匀效应
5.2.3 端面摩擦效应
5.3 超动态应变仪的内部结构与标定方法
5.3.1 超动态应变仪的内部结构
5.3.2 超动态应变仪的标定方法
5.4 实验样品的设计与制备
5.5 实验方案及步骤
5.5.1 实验方案
5.5.2 实验步骤
5.6 实验结果及分析
5.7 小结
第6章 基于SHPB冲击方式的仿真分析
6.1 初边值条件与仿真设置
6.2 仿真结果及分析
6.2.1 直径2mm圆孔缺陷
6.2.2 直径1mm圆孔缺陷
6.3 小结
第7章 总结与展望
7.1 两种冲击方式对比
7.2 主要研究成果
7.3 创新点
7.4 工作展望
参考文献
附录
致谢
攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同爆炸载荷下TA2钛合金圆管膨胀破坏过程[J]. 俞鑫炉,董新龙,潘顺吉. 爆炸与冲击. 2018(01)
[2]爆炸与电磁加载下无氧铜环、柱壳的断裂模式转变[J]. 郭昭亮,范诚,刘明涛,任国武,汤铁钢,刘仓理. 爆炸与冲击. 2017(06)
[3]冲击压缩下PMMA的响应和光学特性[J]. 郝龙,王翔,王青松,康强,黄金. 高压物理学报. 2017(05)
[4]空孔缺陷与邻近运动裂纹的相互作用初探[J]. 丁晨曦,陈程,雷尹嘉,肖成龙. 科学技术与工程. 2017(25)
[5]含裂纹缺陷的脆性材料冲击三点弯曲试验[J]. 丁晨曦,许鹏,王学东,马佳辉. 中国矿业. 2017(03)
[6]用于瞬态高速飞片速度测量的光子多普勒测速系统[J]. 吴立志,陈少杰,叶迎华,沈瑞琪,刘卫. 红外与激光工程. 2016(12)
[7]膨胀环受力历史对应力应变关系的影响[J]. 郭昭亮,范诚,刘明涛,汤铁钢,刘仓理. 爆炸与冲击. 2016(06)
[8]不同角度裂纹缺陷对材料动态断裂行为的影响[J]. 李清,郭洋,田策,钱路,程阳. 科学技术与工程. 2016(28)
[9]爆炸加载下金属缝隙射流定量诊断实验研究[J]. 童慧峰,李庆忠,谷岩,张振涛,管永红. 爆炸与冲击. 2016(05)
[10]适用于自洽强度方法的冲击加载-再加载实验技术[J]. 俞宇颖,谭叶,谭华,戴诚达,彭建祥,李雪梅,吴强,王翔. 爆炸与冲击. 2016(04)
博士论文
[1]高应变率加载下材料变形损伤及相变的微观机理研究[D]. 蔡洋.中国科学技术大学 2017
[2]非理想裂纹准脆性扩展的多尺度分析及其应用[D]. 周胜.东南大学 2017
[3]冲击载荷下脆性颗粒材料多尺度变形破碎特性研究[D]. 黄俊宇.中国科学技术大学 2016
[4]预制缺陷的H-K9L玻璃的动态断裂研究[D]. 胡昌明.中国工程物理研究院 2010
[5]飞机座舱透明件设计理论及应用[D]. 张志林.南京航空航天大学 2005
硕士论文
[1]典型聚合物材料应变率相关本构模型研究[D]. 穆磊金.西南科技大学 2017
[2]基于SHPB的液压膨胀环实验研究[D]. 张佳.宁波大学 2017
[3]爆炸加载下柱壳剪切断裂的机理研究[D]. 俞鑫炉.宁波大学 2014
[4]绝热剪切带形成若干问题研究[D]. 付应乾.宁波大学 2013
[5]超高压锰铜电阻压力计的研制[D]. 冷莹莹.天津大学 2012
[6]二级轻气炮超高速撞击实验测控系统研究[D]. 邓云飞.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3525546
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