兩類新型納米結(jié)構(gòu)金屬的彈道性能和斷裂行為的數(shù)值模擬.pdf

1、近年來(lái)，先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料由于應(yīng)用廣泛而備受關(guān)注。一些結(jié)構(gòu)材料，例如陶瓷材料，凱夫拉/樹脂復(fù)合材料，碳納米管復(fù)合材料等在靶板應(yīng)用方面已被大量地研究和優(yōu)化。除了這些優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料外，納米結(jié)構(gòu)材料由于具有超高力學(xué)性能也備受關(guān)注。本文的研究對(duì)象是兩類新型納米結(jié)構(gòu)金屬，即雙模態(tài)金屬和納米孿晶增強(qiáng)的粗晶金屬，目標(biāo)是探究其彈道性能和斷裂行為。
　　雙模態(tài)金屬材料被證明具有高的拉伸強(qiáng)度以及好的延展性，此外，其彈道性能也十分優(yōu)異。本文的數(shù)值模擬基于Jo

2、hnson-Cook斷裂模型，主要探究微結(jié)構(gòu)特征（粗晶區(qū)域的分布方式和形狀）對(duì)雙模態(tài)金屬銅彈道性能的影響。本文還考慮了納米晶的本構(gòu)和失效參數(shù)以及邊界條件對(duì)其彈道性能的影響。數(shù)值模擬表明，要提高雙模態(tài)金屬銅的彈道性能，粗晶區(qū)域應(yīng)均勻分布于納米晶相中。一般地，對(duì)于相同的分布方式，在垂直于沖擊方向上，粗晶區(qū)域投影較長(zhǎng)的微結(jié)構(gòu)具有更好的彈道性能。在本文的計(jì)算框架之中，不考慮靶板對(duì)彈體的磨蝕，結(jié)果顯示相對(duì)于材料強(qiáng)度，微結(jié)構(gòu)的彈道性能更依賴于材料的

3、韌性。關(guān)于邊界條件的研究顯示，有約束條件下的微結(jié)構(gòu)的彈道性能好于無(wú)約束條件下微結(jié)構(gòu)的彈道性能。
　　納米孿晶增強(qiáng)的粗晶銅具有高的強(qiáng)度和好的韌性。納米孿晶使其具有高強(qiáng)度，而它好的韌性歸功于粗晶相的存在。本文主要探究納米孿晶間距，孿晶區(qū)域分布和孿晶區(qū)域形狀對(duì)納米孿晶增強(qiáng)的粗晶銅的彈道性能的影響。結(jié)果顯示，較小的納米孿晶間距和均勻分布的納米孿晶區(qū)域有利于提高彈道性能。而納米孿晶區(qū)域形狀對(duì)彈道性能的作用是受孿晶間距影響的。此外，本文還將其

4、彈道性能和單一相粗晶結(jié)構(gòu)的彈道性能做了對(duì)比。結(jié)果表明，納米孿晶區(qū)域陣列規(guī)則排列的微結(jié)構(gòu)相對(duì)于單一相粗晶結(jié)構(gòu)，具有較大的極限速度和較小的相對(duì)變形。
　　本文之前對(duì)納米結(jié)構(gòu)材料的斷裂研究，采用的都是單元?jiǎng)h除法，這種方法沒有考慮兩相材料間的界面性質(zhì)。為了更好地研究雙模態(tài)金屬銅的斷裂行為，本文引入內(nèi)聚力有限單元法，探究在拉伸載荷的作用下，內(nèi)聚力單元強(qiáng)度和微結(jié)構(gòu)特征對(duì)其影響。數(shù)值結(jié)果表明。當(dāng)粗晶相和納米晶相中內(nèi)聚力單元的強(qiáng)度均達(dá)到某個(gè)水平以