平板冲击加载下陶瓷材料的破坏力学行为研究

摘要

与延性材料相比，陶瓷材料因其高强度、高硬度、抗高温以及低密度等优良的物理力学性能已成为一种常用的轻质装甲防护材料，广泛地应用于国防建设和军事科学领域。脆性陶瓷材料在强动载下的力学响应和破坏行为与其抗冲击性能密切相关，一直是冲击动力学界的一个重要研究领域。目前，对陶瓷材料冲击压缩破坏行为的研究多集中在实验工作和唯象认识，尚缺乏统一的理论模型对其破坏机理和演化过程的物理本质进行描述。因此，深入研究陶瓷材料的冲击压缩破坏行为可为陶瓷防护装甲设计和优化提供理论基础，具有重要的学术意义和应用价值。
　　论文在充分调研陶瓷材料在强动载作用下力学响应和破坏行为分析等诸多关键问题研究现状基础上，以A95氧化铝陶瓷为主要研究对象，采用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的手段系统地研究了陶瓷等脆性材料在冲击压缩下的波动过程以及破坏力学行为，对陶瓷材料的冲击压缩破坏机理以及演化形式进行了详细的论述和分析。本论文的主要的研究内容与结论如下：
　　1.对陶瓷类脆性材料在冲击加载下的破坏形式、动态损伤模型以及实验技术和测试手段等研究成果进行了回顾。着重考察了玻璃、陶瓷中以破坏波形式为代表的冲击压缩破坏现象的研究现状，对破坏波的物理力学特性以及形成和传播的物理机制等进行了综述。
　　2.设计完成了氧化铝陶瓷双点样品平板冲击压缩实验，利用VISAR测试系统测量了不同厚度的氧化铝陶瓷试件的自由面速度历程，并对冲击回收试件进行了金相分析。结合实验结果对氧化铝陶瓷的非弹性响应及破坏特性进行了分析，得出在本实验冲击压力下试件发生了强烈的破碎现象，其破坏模式主要由微裂纹的成核、扩展过程主导，并未发生明显的塑性变形。
　　3.在回顾Hugoniot弹性极限初始定义的基础上，联系陶瓷材料的破坏特性，采用Mohr-Coulomb破坏准则建立了陶瓷材料的Hugoniot弹性极限与剪切强度的关系表达式；结合已有的实验结果探讨了冲击强度、应变率以及材料细观结构对Hugoniot弹性极限演化规律的影响。
　　4.研究了无限弹性介质中含偏斜波动模式的应力波理论，对体积波、偏斜波和旋转波的波动方程性质、运动学行为特性以及对应的应力状态进行了分析。将该应力波理论应用到平板冲击压缩状态，得到该状态下材料内存在体积波和偏斜波两种波动模式，利用间断面理论研究了体积波和偏斜波的传播过程及界面效应。
　　5.基于修正的应力波理论，并联系陶瓷材料细观非均匀性结构特征，给出破坏波形成的物理机制：1）材料内部要具有一定的细观非均匀性，即包含原生的微裂纹、微孔隙等缺陷；2）冲击压缩加载下，材料内须产生足够的偏斜变形能或剪切变形能，即偏斜波的强度要超过材料的破坏阈值。结合破坏阵面传播的细观物理机制，探讨了破坏波传播过程中的能量转化机理，指出破坏波过后材料中的偏斜变形能逐渐转化为体积变形能。
　　6.根据跨越破坏阵面控制材料力学行为的偏微分方程类型转变分析以及联系破坏波的传播特征，认为破坏波的传播过程应为一个扩散过程，而非传统的波动过程。建立了以表征材料损伤及破坏的微裂纹浓度为传播特征的扩散控制方程及相应的动态本构模型，进一步数值模拟了冲击压缩下玻璃和陶瓷中破坏波的传播过程。

目录

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目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 陶瓷材料的主要破坏形式

1.3陶瓷材料的动态损伤模型

1.4 冲击高压加载手段与测试技术研究进展

1.5 论文的主要工作内容

2 平板冲击压缩实验原理与方法

2.1 引言

2.2 冲击高压加载技术与测试手段

2.3 样品制备及其力学性质

2.4 冲击脉冲强度与持续时间的理论预估

2.5 本章小结

3 氧化铝陶瓷动态力学行为的实验研究

3.1 引言

3.2 氧化铝陶瓷平板冲击实验装置

3.3 实验结果与分析

3.4 本章小结

4 冲击压缩下氧化铝陶瓷中的应力波传播过程

4.1 引言

4.2 传统应力波理论概述

4.3 修正的应力波理论研究

4.4 平板冲击压缩下陶瓷中应力波传播过程及界面效应

4.5 本章小结

5 冲击压缩下陶瓷材料的破坏机制与破坏模型

5.1 引言

5.2氧化铝陶瓷的Hugoniot弹性极限

5.3 冲击压缩下陶瓷材料的破坏力学模型

5.4 本章小结

6 陶瓷材料冲击压缩破坏过程的数值模拟

6.1 引言

6.2玻璃和陶瓷中的破坏波数值模拟

6.3 本章小结

7 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 论文的创新点

7.3 展望

致谢

参考文献

附录