冲击加载下氧化铝陶瓷动态力学响应分析

摘要

陶瓷材料因其良好的物理力学性能而广泛应用于军事和民用领域，陶瓷类脆性材料在强动载荷作用下具有完全不同于延性材料的响应特性，因此陶瓷材料动态力学响应研究已成为冲击动力学领域十分活跃的研究课题。在陶瓷材料的破坏机制、本构关系、实验测试技术等方面开展了深入研究，并取得了一定的研究成果。 论文在充分调研陶瓷材料在强动载荷作用下动力学响应分析等诸多关键问题研究现状基础上，设计完成了氧化铝陶瓷平板正撞实验，通过平板正撞实验结果对氧化铝陶瓷在冲击加载作用下的物理力学响应进行了分析讨论。论文的主要研究工作和相关结论如下： （1）回顾了陶瓷类脆性材料破坏机制及其在强动载荷作用下物理力学特性研究现状，重点考察了破坏波形成和传播的物理机制、力学参量等演化特征，列举了描述陶瓷材料力学行为的失效准则和本构模型； （2）采用超声波测试获得了氧化铝陶瓷样品的基本物理力学参量，通过电镜扫描观察了氧化铝陶瓷的细观结构，电镜扫描结果显示氧化铝陶瓷具有强烈的细观非均匀性结构特征； （3）设计完成了氧化铝陶瓷双点样品平板正撞实验，采用VISAR测试了不同厚度的氧化铝陶瓷样品在一维应变冲击压缩条件下自由面质点速度历程，得到了不同厚度的氧化铝陶瓷样品Hugoniot弹性极限。实验发现，随着样品厚度的增加，氧化铝陶瓷的 呈下降趋势。当冲击压力在7GPa-8GPa范围内，陶瓷样品自由面质点速度历程存在二次再压缩现象，判断是由于陶瓷内产生的破坏阵面（Failure front）所造成的，与玻璃中的破坏波现象具有可比性； （4）采用Drucker-Prager屈服准则，提出了对陶瓷材料Hugoniot弹性极限表征的修正。得到了A95陶瓷采用Drucker-Prager准则修正公式计算的 值，并与实验得到的 值进行了比较； （5）采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对冲击压缩下氧化铝陶瓷动态力学性能进行了模拟分析，数值模拟结果与实验结果吻合较好，数值模拟结果表明JH-2材料模型能够较好地模拟陶瓷的物理力学性能。