新型复合防护材料的动静态力学特性和工程应用研究

摘要

研究具有高强度和良好吸能消波效果的新型复合防护材料及其在防护工程中的应用有着重要的理论学术价值和工程应用价值。本文首先开展了钢纤维混凝土复合材料的动静态力学试验并提出了其分段式含损伤的准静态本构关系和非线性粘塑性动态本构关系;然后，重点制备了新型的空壳颗粒复合材料，并完成了其作为防护工程分配层的化爆试验及其数值模拟和分析等工作，提出了空壳颗粒复合材料的三维Kelvin-Maxwell双粘性系数等效本构模型，并通过对比数值模拟结果和试验结果的应力时程曲线、峰值应力和应力脉宽，从而优选确定了等效本构中的材料参数;同时，将空壳颗粒复合材料新形式的双粘性系数等效本构模型应用于防护结构数值计算中，研究了防护结构动态响应和损伤破坏效应。
　　本文主要内容和创新成果包括:
　　利用岩石三轴应力试验机，开展了钢纤维混凝土准静态试验研究，得到较低应变率下、不同钢纤维含量的材料应力-应变关系曲线;从试验曲线出发，将应变和钢纤维含量作为二个独立的因子，提出了一种物理概念较为清晰，拟合过程较为便捷的钢纤维混凝土的新型分段式含损伤的准静态本构关系;并通过对不同钢纤维含量混凝土试验曲线的拟合，得到了相应的材料参数。研究结果表明，钢纤维含量对混凝土具有明显的强度增强效应和变形增韧效应，论文中并对其增强和增韧机理作了相应的理论分析。
　　采用SHPB技术开展了钢纤维混凝土动态力学性能的试验研究，并得出了不同钢纤维含量、不同应变率下的材料应力应变曲线;在分析钢纤维混凝土动态应力应变曲线特点和综述已有动态本构模型理论特性的基础上，通过对试验曲线的三步逐次最小二乘优选模拟的方法，提出了钢纤维混凝土的一种依赖于应变和应变率相关函数的新型非线性粘塑性动态本构关系，并通过数值模拟优选法得到了材料参数对应变率和钢纤维含量的依赖关系。
　　详细阐述了提出空壳颗粒复合材料的理论依据和开展现场化爆试验的试验方案，成功开展了成层式人防工程的现场化爆试验研究;在相同化爆试验条件下，采用空壳颗粒复合材料构建分配层与黄沙构建分配层，分别得出了两者的峰值应力、应力脉宽和破坏形态等，结果表明，新型空壳颗粒复合材料构建的分配层，对爆炸波具有很强的衰减和弥散作用，其峰值应力可降低50％，应力脉宽增加约20％左右，新型空壳颗粒复合材料防护层的损伤破坏范围大大减小，而且具备承受多次打击的能力。
　　以成层式人防现场化爆试验为基础，开展了现场化爆试验的系列数值计算，但是，由于空壳颗粒复合材料是复杂的非均质结构类材料，对之进行直接的数值模拟是极其困难的，甚至是不可能的。针对此难题，本文提出了一种新型三维Kelvin-Maxwell双粘性系数的等效本构模型，并在LS-DYNA软件中发展嵌入了一个新的显示本构计算模块。通过对比数值模拟和试验的某些量值，如同一测点的峰值应力、应力时程曲线和应力脉宽，并根据二者符合较好的模拟结果，优选出了相应的本构参数。数值模拟结果表明，具有优选参数的等效本构模型的计算结果和试验结果中的峰值应力误差在10％以内，且应力时程曲线和应力脉宽一致性也较好，这在工程实践和学术上有着重要意义。最后，以新形式双粘性系数的等效本构模型，开展了相应防护结构的数值计算，研究了防护结构的动态响应特性和损伤破坏效应。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 钢纤维混凝土材料的研究现状

1．3 空壳颗粒复合材料在防护工程中应用的研究现状

1．4 本文主要研究工作

第2章 钢纤维混凝土准静态力学性能研究

2．1 引言

2．2 试件制备

2．3 试验设备

2．4 试验结果

2．5 钢纤维混凝土准静态本构关系的建立与拟合

2．5．1 本构关系的建立

2．5．2 本构关系的拟合

2．6 本构关系中材料参数确定

2．7 本章小结

第3章 钢纤维混凝土动态力学性能研究

3．1 引言

3．2 SHPB试验设备及试验技术

3．3 SHPB测试原理

3．3．1 试验装置的选取

3．3．2 惯性效应

3．4 混凝土类材料动态典型本构模型

3．4．1 唯象本构模型

3．4．2 弹性模型

3．4．3 塑性模型

3．4．4 损伤模型

3．4．5 塑性损伤理论模型

3．4．6 粘弹性模型

3．4．7 粘塑性模型

3．4．8 粘塑性损伤模型

3．4．9 其他理论模型

3．5 一种新型非线性粘塑性动态本构模型

3．5．1 试件的制备

3．5．2 试验原理和试验设备

3．5．3 试验结果

3．5．4 本构关系的建立及参数的确定

3．5．5 本构关系适用性及材料参数取值合理性的进一步说明和验证

3．5．6 力学性能探讨

3．5．7 结论

3．6 一种粘塑性损伤动态本构模型

3．6．1 本构模型的建立及参数的确定

3．6．2 结论

3．7 本章小结

第4章 空壳颗粒复合材料化爆试验

4．1 引言

4．2 空壳颗粒材料在成层式防护结构中的应用

4．3 新型空壳颗粒复合材料的制备

4．4 空壳颗粒复合材料现场化爆试验及其试验结果

4．4．1 试验设计

4．4．2 试验结果

4．4．3 试验结果分析

4．4．4 结论

4．5 本章小结

第5章 爆炸载荷下空壳颗粒复合材料动态响应的数值模拟

5．1 引言

5．2 标准试验(分配层为黄沙)的数值模拟

5．2．1 试验模型

5．2．2 建模分析

5．2．3 材料模型及材料参数

5．2．4 模拟结果

5．3 KELVIN-MAXWELL本构等效分配层复合材料对比试验的数值模拟

5．3．1 建模分析

5．3．2 一维应力状态下Maxwell本构模型

5．3．3 空间复杂应力状态下Maxwell本构模型的应用原理

5．3．4 材料模型及材料参数

5．3．5 模拟结果

5．4 一种双粘性系数本构等效分配层复合材料对比试验的数值模拟

5．4．1 建模分析

5．4．2 一种新形式双粘性系数等效本构模型

5．4．3 用户自定义子程序及其UMAT

5．4．4 模拟结果

5．5 分层式防护结构的损伤效应研究

5．5．1 计算模型

5．5．2 建模分析

5．5．3 计算结果

5．6 本章小结

第6章 总结和工作展望

6．1 全文工作总结

6．2 主要创新点

6．3 未来工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文