微孔洞影响脆性材料冲击响应的机制研究

摘要

在冲击波压缩过程中，脆性材料的冲击破坏与失效现象难以避免。准静态和冲击波压缩下的实验研究均表明，引入微孔洞可以显著提高脆性材料的塑性，但对于实验结果的分析通常无法直接揭示材料内部的细观演化机制。本论文旨在通过开展计算机模拟研究来揭示孔洞影响脆性材料冲击响应的物理/力学机制，从而为避免或延缓脆性材料冲击失效提供基础认识。 本论文选用“格点-弹簧模型”作为计算方法，建立了能够合理描述脆性材料冲击大变形、大量裂纹扩展和介质破碎等现象的冲击波压缩模型。对孤立孔洞的塌缩过程分析表明，当冲击波扫过微孔洞时，孔洞周围会出现剪应力集中，剪切裂纹由此萌生并扩展，同时破碎介质向孔洞内填充，致使样品体积收缩。在受冲击波压缩的多孔脆性材料中，存在着因大量剪切裂纹扩展而破碎的介质，它们能够在孔洞完全塌缩之后通过相对滑移和转动继续维持塑性变形过程。论文的研究对比了不同微孔洞排布方式下的冲击波压缩细观变形特征，可以发现正方形排布和正六边形排布状态下，微孔洞贯通和体积收缩变形占主导，应变局域化程度强;而正三角形排布和随机排布状态下，剪切裂纹长距离扩展和滑移与转动变形占主导，应变局域化程度弱。 对宏观冲击响应的计算结果表明，冲击波在多孔样品内传播时会逐渐演化为弹性波-变形波双波结构;气孔率决定着多孔脆性材料的HEL，气孔率和冲击应力共同决定着变形波的传播速度;虽然多孔脆性材料的Hugoniot曲线都包含线弹性阶段、塌缩变形阶段和滑移与转动变形阶段三部分，但孔洞正方形排布时塌缩变形阶段对样品宏观冲击塑性的贡献最大。

目录

声明

摘要

1．1研究背景和意义

1．2脆性材料的压缩破坏与失效研究简介

1．2．1脆性材料压缩破坏的基本认识

1．2．2多孔脆性材料的塑性变形能力

1．3冲击波加载脆性材料的计算机模拟方法

1．4论文的研究内容

第2章脆性材料冲击波压缩的格点-弹簧模型

2．2格点-弹簧模型的基本原理

2．2．1基本原理

2．2．2相互作用力的设定

2．2．3作用力参数的选取

2．3脆性材料的冲击波压缩建模

2．3．1颗粒间的相互作用力计算

2．3．2运动学积分

2．3．3弹簧的断裂判据

2．3．4冲击波压缩破坏模型的构型

2．4弹簧的刚度系数映射方法

2．5模型具体参数及微结构设定

2．6本章小结

第3章微孔洞在冲击波压缩下的细观变形机制

3．1脆性材料中孤立孔洞的演化过程

3．2大量孔洞导致的细观变形特征

3．2．1滑移与转动的变形新机制

3．2．2不同孔洞排布方式下的细观变形特征比较

3．2．3孔洞规则排布方式导致的应变局域化

3．3本章小结

第4章微孔洞对脆性材料宏观冲击响应的影响

4．1脆性材料中的宏观冲击波剖面演化

4．1．1冲击波剖面的基本认识

4．1．2细观损伤演化过程与宏观冲击波剖面的关联

4．1．3影响冲击波剖面演化的因素

4．2孔洞对脆性材料宏观冲击塑性的调控

4．2．1脆性材料中的Hugoniot曲线

4．2．2气孔率对Hugoniot曲线的影响

4．2．3孔洞规则排布对冲击塑性的调控

4．3本章小结

5．1论文总结

5．2工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文