孔隙類工程材料的靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究和在防護(hù)工程中的應(yīng)用.pdf

1、研究既有良好吸能消波效果又有較高強(qiáng)度的新型材料及其相應(yīng)配置防護(hù)層在防護(hù)工程中具有重要應(yīng)用價(jià)值，也具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。本文以成層式防護(hù)工程為研究背景，結(jié)合含孔隙材料中的空穴對應(yīng)力波的繞射隔離效應(yīng)和消波效應(yīng)，研究制備了一種新型的硅鋁質(zhì)泡沫陶瓷材料，在此基礎(chǔ)上研制了具有母體材料微孔隙-殼體內(nèi)穴-殼間空穴的三重空穴隔離效果的空殼顆粒材料，并將其應(yīng)用到成層式防護(hù)工程的分配層中，考察該種新型材料對爆炸波的削弱作用。首先采用理論分析、動(dòng)靜態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和

2、數(shù)值計(jì)算等方法來對孔隙率為75％的硅鋁質(zhì)泡沫陶瓷材料的動(dòng)靜態(tài)力學(xué)性質(zhì)和本構(gòu)模型進(jìn)行分析和討論;然后再將空殼顆粒材料應(yīng)用到成層式地下防護(hù)結(jié)構(gòu)的分配層中進(jìn)行化爆模擬試驗(yàn)，并與傳統(tǒng)黃沙分配層的消波效果進(jìn)行對比，并揭示了新材料和防護(hù)層的優(yōu)勢;最后以對非均質(zhì)復(fù)雜防護(hù)層進(jìn)行“等效本構(gòu)模擬”的思想，對化爆試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析了有關(guān)參數(shù)的影響，說明了方法的工程適用性。以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，提出了三種不同的函數(shù)來描述混凝土材料的應(yīng)變率效應(yīng)，并以長桿彈侵徹

3、混凝土靶板試驗(yàn)為依據(jù)進(jìn)行了抗侵徹?cái)?shù)值模擬。研究成果對于新型的泡沫陶瓷材料和混凝土類材料在民用和軍事領(lǐng)域的研發(fā)和推廣具有一定的參考價(jià)值。本文的主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　利用MTS（Material Test System，材料試驗(yàn)機(jī)），對硅鋁質(zhì)泡沫陶瓷材料進(jìn)行不同應(yīng)變率下準(zhǔn)靜態(tài)一維應(yīng)力壓縮實(shí)驗(yàn)，得到了應(yīng)力應(yīng)變曲線、屈服強(qiáng)度和楊氏模量等力學(xué)參數(shù)，結(jié)果顯示其屈服強(qiáng)度和屈服應(yīng)變均隨著應(yīng)變率的增加而增大。通過對應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行最小二乘法

4、擬合，提出了一種形式簡單的單參數(shù)唯象學(xué)本構(gòu)模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與擬合結(jié)果符合良好。同時(shí)對該種材料進(jìn)行低應(yīng)變率下含卸載的準(zhǔn)靜態(tài)一維應(yīng)變單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，直接測得了應(yīng)力應(yīng)變曲線、屈服強(qiáng)度、屈服應(yīng)變和軸向彈性模量，發(fā)現(xiàn)材料的屈服應(yīng)力隨著應(yīng)變率的增加而增大。從廣義胡克定律出發(fā)，根據(jù)一維應(yīng)力和一維應(yīng)變加載下測得的軸向彈性模量計(jì)算得到了材料的泊松比。最后根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線對材料在不同應(yīng)變率下的壓縮吸能效果進(jìn)行了對比分析，結(jié)果顯示材料的能量吸收值隨著應(yīng)變率的而提

5、高而增加。
　　利用SHPB（Split Hopkinson Pressure Bar，分離式霍普金森壓桿）對硅鋁質(zhì)泡沫陶瓷材料進(jìn)行了較高應(yīng)變率(0s-1100s-1)下的沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)直接測得了應(yīng)力應(yīng)變曲線、屈服強(qiáng)度和楊氏模量等力學(xué)參數(shù)，并探討了屈服強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)。對脆性泡沫材料的SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)作了針對性的研究，并通過使用大尺寸壓桿、橡膠質(zhì)波形整形器和半導(dǎo)體應(yīng)變片來改進(jìn)脆性泡沫材料的動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)技術(shù)。結(jié)果顯示，新方法能更

6、好地保證動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)過程的等應(yīng)變率特性、試件的應(yīng)力均勻性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性。最后簡單分析了沖擊加載下材料應(yīng)力應(yīng)變曲線的特征。
　　以分層式防護(hù)結(jié)構(gòu)的消波減震性能為研究背景，將具有三重空穴隔離效應(yīng)的空殼顆粒材料應(yīng)用到成層式防護(hù)結(jié)構(gòu)中。首先對野外化爆縮尺比試驗(yàn)的相似律問題進(jìn)行了理論分析，并對應(yīng)力波在層狀介質(zhì)中的傳播規(guī)律進(jìn)行了推導(dǎo)。將一種由硅鋁質(zhì)泡沫陶瓷材料燒結(jié)而成的球形中空空殼顆粒材料應(yīng)用到防護(hù)結(jié)構(gòu)的分配層中，通過大尺比野外化爆試驗(yàn)對

7、比分析了傳統(tǒng)的黃沙分配層和空殼顆粒材料分配層在爆炸載荷下對爆炸波的消弱效果。結(jié)果顯示，空殼顆粒材料比黃沙具有更強(qiáng)的消波耗能效應(yīng)，前者所構(gòu)建的分配層對應(yīng)力波峰值的衰減幅度比后者要高出40％以上，而且空殼顆粒構(gòu)建的分配層在二次爆炸加載過程中也能夠大幅削弱爆炸波強(qiáng)度。最后以對爆炸載荷應(yīng)力波衰減效果為目標(biāo)提出了一種對非均質(zhì)復(fù)雜防護(hù)層進(jìn)行等效本構(gòu)模擬的思想，利用等效本構(gòu)模型和有限元計(jì)算軟件ANSYS/LS-DYNA對集中藥包爆炸條件下爆炸波衰減效

8、果進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示所選材料本構(gòu)能較好地描述空殼顆粒材料在防護(hù)結(jié)構(gòu)中的消波效應(yīng)。
　　在對混凝土類材料的幾種常用的本構(gòu)模型進(jìn)行對比分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)高低應(yīng)變率下的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果對C40混凝土單軸壓縮屈服強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)進(jìn)行了研究，經(jīng)擬合得出了屈服強(qiáng)度與應(yīng)變率之間的分段線性表達(dá)式、連續(xù)過度的冪次型函數(shù)表達(dá)式和雙對數(shù)平面內(nèi)的指數(shù)函數(shù)表達(dá)式。以長桿彈侵徹鋼纖維混凝土靶板的模擬試驗(yàn)為依據(jù)，利用有限元計(jì)算軟件ANSYS/LS-DYNA