冲击加载下脆性材料中失效波的形成机理研究

发布时间：2017-03-30 17:02

  本文关键词：冲击加载下脆性材料中失效波的形成机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：玻璃、陶瓷等脆性材料具有高强度、高声速、低密度等诸多优良特性,在国防和民用工业中有着广泛的应用,特别是在装甲防护领域的应用更是充分发挥了其优越的性能,有效的提高了坦克、舰船等军事目标的防护能力。因此,研究这类材料的损伤破坏机理具有重要的科学意义和广泛的应用价值。失效波现象是在玻璃材料中发现的一种独特的动态破坏模式,但在陶瓷中是否也存在这种破坏模式尚存争议。为此,本文从实验研究、理论分析和数值模拟三个方面对玻璃中失效波现象的形成机理及陶瓷材料的动态响应特性进行了系统的分析和研究,主要工作包括以下三个方面:(1)通过不同条件下的平板撞击实验,采用VISAR(任意自由面激光速度干涉仪)和DISAR(全光纤激光干涉测速仪)测试系统,实验测得氧化铝陶瓷试件背面粒子速度时程曲线。结果表明,陶瓷材料背面粒子速度时程曲线上没有出现类似玻璃材料中表征失效波现象的再压缩信号,而是表现出了明显的类塑性特征。(2)建立了弹性微裂纹损伤模型,并将其嵌入LS DYNA有限元程序中,对玻璃和陶瓷这两种材料的动态响应特性进行了数值模拟。计算结果与实验数据吻合。进而表明,该模型可以较好的用于表征玻璃和陶瓷两种材料在冲击载荷作用下的动态响应特征;并且两种材料的动态损伤机制也是类似的,实验结果表现出的差异只是在不同的细观结构、载荷条件等作用下产生的不同结果。此外,在模型中,定义了一个由裂纹尺寸和裂纹数密度两个统计量所表达的损伤度变量,该损伤度的演化规律可用以判断能否产生失效波现象。(3)结合脆性材料动态载荷作用下微裂纹生长规律,针对脆性材料的动态破坏过程,在原生微裂纹就位扩展机制的基础上,提出了原生微裂纹生长速率不均衡的形成机理,并通过数值模拟方法加以验证。这一机理主要包括两点内容:第一,原生微裂纹是指材料内部现有的微裂纹和微缺陷,即忽略微裂纹的成核效应;第二,微裂纹的生长演化在其所处位置附近发生,且沿载荷传播方向各处微裂纹生长速率不一致,即裂纹生长的不均衡特性。
【关键词】：脆性材料 失效波 微裂纹生长 弹性微裂纹损伤模型
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ171.1;TQ174.1
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第1章 绪论12-32
• 引言12-13
• 1.1 失效波研究进展13-30
• 1.1.1 实验研究进展14-20
• 1.1.2 理论研究进展20-28
• 1.1.3 小结28-30
• 1.2 本文的主要工作30-32
• 第2章 陶瓷中失效波现象的实验研究32-54
• 引言32-34
• 2.1 实验方法34-36
• 2.2 实验原理与实验系统36-42
• 2.2.1 实验原理36-38
• 2.2.2 实验系统38-42
• 2.3 实验结果与分析42-53
• 2.3.1 不同碰撞速度的实验结果42-46
• 2.3.2 不同试件厚度的实验结果46-50
• 2.3.3 高速碰撞实验结果50-53
• 2.4 本章小结53-54
• 第3章 玻璃与陶瓷材料动态响应数值模拟54-80
• 引言54
• 3.1 模型介绍54-65
• 3.1.1 材料模型54-61
• 3.1.2 几何模型及参数的选取61-65
• 3.2 数值模拟结果与分析65-77
• 3.2.1 玻璃中的失效波现象及其规律65-69
• 3.2.2 陶瓷材料的动态响应特性69-77
• 3.3 本章小结77-80
• 第4章 失效波的形成机理80-94
• 引言80
• 4.1 材料中微裂纹的生长规律80-82
• 4.2 失效波形成机理分析82-85
• 4.3 失效波形成机理的验证85-91
• 4.3.1 初始平均裂纹尺寸对陶瓷响应特性的影响86-89
• 4.3.2 微裂纹生长速率对失效波传播规律及陶瓷响应特性的影响89
• 4.3.3 材料损伤度的变化规律89-91
• 4.4 本章小结91-94
• 第5章 结论与展望94-98
• 5.1 本文工作总结94-95
• 5.2 主要创新点95
• 5.3 下一步的工作展望95-98
• 参考文献98-106
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单106-108
• 致谢108

  本文关键词：冲击加载下脆性材料中失效波的形成机理研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：277593