损伤度函数模型用于碰撞和内爆加载下钢层裂的二维数值模拟研究

摘要

从损伤度函数模型建立以来，该模型对平面碰撞层裂问题的一维数值模拟有比较成功的应用。为推广和拓展损伤度函数模型的应用范围，探讨用损伤的观点来分析材料的动态断裂问题，本文把损伤度函数模型嵌入到二维流体弹塑性动力有限元编码DEFEL中，使之与原编码的力学计算耦合，并以临界损伤度作为断裂准则，对平面撞击层裂过程和滑移爆轰内爆加载下金属柱壳的内聚运动及层裂过程进行了二维数值模拟研究，并结合实验结果，讨论了材料的损伤破坏过程及有关现象。 在对三种钢(HR-2钢、45钢、2169钢)的平面撞击层裂实验的数值模拟研究中，考虑了材料的屈服硬化效应和Bauschinger效应的影响，数值模拟结果可以很好地再现实验测量到的自由面速度历史。但数值模拟计算得到的层裂面附近的最大拉应力(计算层裂强度)远大于一般实验中普遍采用的由声学近似得到的层裂强度(前者大约是后者的1.5倍至2倍之间)。对此本文进行了分析，提出了用材料的“理论层裂强度”概念来分析和解释这一现象，表明数值模拟结果是合理的。同时进一步指出层裂强度作为一个表征材料抗拉强度的量，受到诸多因素(加载条件和材料性能等)的影响，对于它的描述值得进一步研究。 本文还对滑移爆轰内爆加载下柱形钢壳的内聚运动及层裂过程进行了数值模拟研究，分析了壳体的内聚运动及层裂破坏过程。数值计算给出了断裂面位置、钢层运动历史、层裂壳体和残余壳体的厚度和外径。对于层裂壳体失稳程度较小的实验，数值模拟结果和实验回收试件尺寸相当吻合；对于层裂壳体失稳较严重的实验，残余壳体的计算结果可以和实验吻合，但层裂壳体的数值模拟结果与实验有差别。此外，通过数值模拟，也证实了在相同柱壳条件下，对于同种炸药，层裂条件和层裂壳体厚度取决于炸药性能和厚度，满足层裂临界条件，随着炸药厚度的增加，层裂壳体厚度也增加的结论。 本文的研究结果也表明，损伤度函数模型嵌入二维程序是成功的，从而为我们应用损伤度函数模型开展复杂应力条件下材料的断裂(层裂)数值模拟研究提供了重要的工具，应用它们对平面撞击层裂过程和滑移爆轰内爆加载下金属柱壳的内聚运动及层裂过程进行二维数值模拟研究，推广了损伤度函数模型的应用范围，表明损伤度函数模型可以应用于复杂应力条件下材料的断裂(层裂)数值模拟。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及学位论文版权使用说明书

1绪论

1.1引言

1.2断裂研究的意义

1.3损伤力学研究进展

1.4层裂理论研究现状

1.5金属圆管动态断裂研究概况

1.6本文的主要研究工作

2损伤模型在二维程序中的嵌入

2.1DEFEL程序简介

2.2二维弹塑性流基本方程和本构关系

2.3损伤度函数模型的嵌入

2.4计算中几个关键问题的讨论

2.5小结

3损伤度函数模型用于平面碰撞层裂的数值模拟

3.1HR-2钢层裂

3.22169钢层裂

3.3 45钢层裂

3.4损伤度函数模型中几个参数的讨论

3.5层裂强度的数值计算结果与实验、理论的比较

3.6 小结

4滑移爆轰内爆加载下钢圆管层裂破坏的数值模拟

4.1 20钢壳层裂的数值模拟

4.2Иванов层裂实验数值模拟

4.3小结

5结语

5.1讨论和总结

5.2评述和展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文