两类新型纳米结构金属的弹道性能和断裂行为的数值模拟

摘要

近年来，先进结构材料由于应用广泛而备受关注。一些结构材料，例如陶瓷材料，凯夫拉/树脂复合材料，碳纳米管复合材料等在靶板应用方面已被大量地研究和优化。除了这些优质的结构材料外，纳米结构材料由于具有超高力学性能也备受关注。本文的研究对象是两类新型纳米结构金属，即双模态金属和纳米孪晶增强的粗晶金属，目标是探究其弹道性能和断裂行为。
　　双模态金属材料被证明具有高的拉伸强度以及好的延展性，此外，其弹道性能也十分优异。本文的数值模拟基于Johnson-Cook断裂模型，主要探究微结构特征（粗晶区域的分布方式和形状）对双模态金属铜弹道性能的影响。本文还考虑了纳米晶的本构和失效参数以及边界条件对其弹道性能的影响。数值模拟表明，要提高双模态金属铜的弹道性能，粗晶区域应均匀分布于纳米晶相中。一般地，对于相同的分布方式，在垂直于冲击方向上，粗晶区域投影较长的微结构具有更好的弹道性能。在本文的计算框架之中，不考虑靶板对弹体的磨蚀，结果显示相对于材料强度，微结构的弹道性能更依赖于材料的韧性。关于边界条件的研究显示，有约束条件下的微结构的弹道性能好于无约束条件下微结构的弹道性能。
　　纳米孪晶增强的粗晶铜具有高的强度和好的韧性。纳米孪晶使其具有高强度，而它好的韧性归功于粗晶相的存在。本文主要探究纳米孪晶间距，孪晶区域分布和孪晶区域形状对纳米孪晶增强的粗晶铜的弹道性能的影响。结果显示，较小的纳米孪晶间距和均匀分布的纳米孪晶区域有利于提高弹道性能。而纳米孪晶区域形状对弹道性能的作用是受孪晶间距影响的。此外，本文还将其弹道性能和单一相粗晶结构的弹道性能做了对比。结果表明，纳米孪晶区域阵列规则排列的微结构相对于单一相粗晶结构，具有较大的极限速度和较小的相对变形。
　　本文之前对纳米结构材料的断裂研究，采用的都是单元删除法，这种方法没有考虑两相材料间的界面性质。为了更好地研究双模态金属铜的断裂行为，本文引入内聚力有限单元法，探究在拉伸载荷的作用下，内聚力单元强度和微结构特征对其影响。数值结果表明。当粗晶相和纳米晶相中内聚力单元的强度均达到某个水平以上的时候，微结构的真实应力应变曲线重合。即微结构的强度和韧性达到了饱和。此外，微结构的力学性能依赖于粗晶区域的分布方式和形状。
　　对于今后纳米结构金属的弹道性能和断裂行为的研究，本文的结果为其提供了重要的依据，具有一定的指导意义。

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摘要

图清单

表清单

字母注释表

第一章 绪论

1．1 双模态金属

1．2 纳米孪晶增强的粗晶金属

1．3 内聚力有限单元法

第二章 双模态金属铜的弹道性能的数值模拟

2．1 有限元模型的建立

2．2 塑性本构和失效准则

2．2．1 Johnson-Cook塑性本构模型

2．2．2 Johnson-Cook损伤模型

2．3 数值结果与讨论

2．3．1 微结构对弹道性能的影响

2．3．2 定量分析

2．3．3 模型参数对弹道性能的影响

2．3．4 边界条件对弹道性能的影响

2．4 小结

第三章 纳米孪晶增强的粗晶铜的弹道性能的数值模拟

3．1 有限元模型的建立

3．2 本构模型

3．3 微结构对弹道性能的影响

3．3．1 失效模式

3．3．2 纳米孪晶间距对微结构弹道性能的影响

3．3．3 纳米孪晶区域的分布对微结构弹道性能的影响

3．3．4 纳米孪晶区域的形状对微结构弹道性能的影响

3．4 纳米孪晶增强的粗晶微结构与单一相粗晶微结构的比较

3．5 小结

第四章 基于内聚力有限单元法的双模态金属铜的断裂行为的数值模拟

4．1 有限元模型的建立

4．2 本构模型

4．3 结果与讨论

4．3．1 应力应变曲线的饱和特性

4．3．2 微结构对强度韧性的影响

4．4 小结

第五章 总结

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢