超高速钨动能杆正撞击混凝土靶成坑规律研究

摘要

在2~4 km/s速度范围内，具备一定长径比的实心金属杆(动能杆)依靠自身具有的巨大动能，以直接撞击目标的方式，在撞击过程中形成强度高、持时长、指向性强的冲击波，从而贯穿或摧毁目标并最终形成数倍弹径口径的弹坑。表面的弹坑和深层的弹洞是超高速钨动能杆正撞击混凝土的主要两种毁伤模式。但是目前对2~4 km/s速度范围内的两种毁伤模式研究较少，而成坑特性决定着辐射出来的波的基本参数，反映能量分配的份额，是揭示介质压实破碎特性、地冲击特性和毁伤机理的关键因素。因此，探究超高速动能杆撞击混凝土成坑规律是首当其冲的关键科学问题。而现有的混凝土本构均不能较好地同时模拟这两种现象。因此，针对超高速钨动能杆正撞击混凝土在数值模拟上的问题，本文完成了如下几个方面的工作：
　　(1)在现有混凝土本构模型基础上，引入塑性功损耗定义损伤，模拟混凝土在加载过程中的软化阶段，并考虑了压缩损伤对拉伸损伤的强化效果；引入塑性体积应变，解决了等向拉伸损伤问题；考虑到不同的受力情况和动态响应下屈服面的变化，引入罗德角和应变率强化因子对其进行修正。
　　(2)通过Fortran语言编写子程序将修正混凝土本构模型嵌入LS-DYNA有限元程序进行二次开发。采用单个单元测试了本构模型的力学性能，主要包括混凝土在外载为单轴、双轴和三轴拉压的力学行为。结果表明，本文的修正混凝土本构模型可以比较好地刻画混凝土的屈服，损伤和应变率行为。
　　(3)利用修正混凝土动态本构模型对超高速钨动能杆正撞击混凝土的过程进行了数值模拟，很好地重现了超高速正撞击混凝土靶板后的缺陷形貌，其中包括：表面径向裂纹、环向裂纹、弹坑和层裂。分析了一系列撞击速度下，靶板弹坑直径、侵彻深度和动能杆余长随撞击速度的变化关系，模拟结果与实验吻合较好，验证了模型的合理性。通过模拟在不同撞击速度下，不同质量和不同长径比动能杆撞击混凝土靶板过程，得到成坑规律为：当采用相同动能杆撞击时，侵深随着撞击速度先增后减，弹坑直径随撞击速度的增加而增加；当采用相同横截面、不同质量的情况下，弹坑直径存在一个最大值平台，侵深却一直增加；当质量一定，横截面变化情况下，弹坑直径存在一个最大值，侵深却一直增加。
　　研究结果可为超高速钨动能杆正撞击混凝土靶板过程的特性分析提供理论基础，为超高速动能杆设计提供参考。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 混凝土动力学特性和动态本构模型概述

1.3 超高速钨动能杆正撞击混凝土靶成坑规律

1.4 本论文的研究内容及意义

第2章 混凝土动态本构模型的修正

2.1 现有的混凝土动态本构模型

2.2 混凝土动态本构模型的修正

2.3 本章小结

第3章 混凝土材料模型二次开发

3.1 有限元基本理论

3.2 求解控制

3.3 材料二次开发简介及流程

3.4 模型嵌入LS-DYNA

3.5 模型验证

3.6 本章小结

第4章 超高速钨动能杆正撞击混凝土成坑规律研究

4.1 模型的建立

4.2 模拟成坑现象及分析

4.3 撞击速度对超高速钨动能杆正撞击混凝土靶板成坑的影响

4.4 动能杆长径比对超高速钨动能杆正撞击混凝土靶板成坑的影响

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果