计及应变率效应的陶瓷材料抗侵彻工程分析方法及其机理研究

摘要

侵彻在军用和民用领域中都有广泛的应用，对该问题的研究具有重要的理论及应用价值。侵彻问题主要有三种研究方法，即实验方法、工程分析方法和数值模拟方法。其中，工程分析方法抓住主要因素，忽略次要因素，能反映物理实质，总结出规律性结论，因而便于对问题的理解。在迄今为止的众多工程分析模型中，大都没有考虑应变率效应的影响；在为数不多的计及应变率效应的模型中，也只是简单地考虑靶的抗侵彻强度R的整体应变率效应，缺乏对影响侵彻强度R的各因素的分析，故不利于对物理实质的把握。本文的工作重点在于研究影响陶瓷材料抗侵彻性能的主要影响因素，并考虑其应变率效应，从而提出一种新的工程分析方法。 根据陶瓷材料强硬脆等独特的力学性质，对实验方法进行了改进，完成了两种陶瓷材料的力学性能实验，并拟合出了其本构关系。实验结果表明，在碎裂之前陶瓷的主要力学参数都有一定的应变率效应。 将空腔膨胀理论和Tate模型相结合，建立了一种新的抗侵彻工程分析方法，首先应用空腔膨胀理论，将材料响应分为四个区域，即粉碎区、径向裂纹区、弹性区及未扰区，导出了靶材的抗侵彻强度R的表达式。通过对抗侵彻强度R各影响因素的考察，发现粉碎区材料的力学性质对材料的抗侵彻性能具有主要影响。考虑了粉碎材料压力相关剪切关系的压剪系数的应变率效应，联合应用Tate模型，得到了一种新的计及应变率效应的工程分析方法，并与实验结果进行了对比，验证了该模型的有效性。 对长杆弹侵彻约束陶瓷靶的问题进行了数值模拟，并对陶瓷的抗侵彻机理提出了新的看法。结合实验结果和理论分析，指出陶瓷的抗侵彻强度R不是常数，而具有应变率效应，并从实验现象及其分析，指出陶瓷材料的压力相关屈服效应以及与此相关的压剪系数的应变率效应对其抗侵彻性能有重要影响。 本文得到的理论分析方法及抗侵彻机理具有一定的工程应用价值，可作为材料设计的参考；对粉碎材料的研究为以后的工作提供了一个可行方向。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

第一章：绪论

1.1选题背景和意义

1.2文献综述及研究现状

1.2.1实验方法

1.2.2理论分析方法

1.2.3数值模拟方法

1.3研究内容与预期结果

1.4研究方法和实验设计

1.5论文结构安排

第二章：陶瓷材料的静动态力学性能研究

2.1绪论

2.2静态力学性能测试.MTS实验

2.2.1试件材料、尺寸及实验方案

2.2.2准静态力学材料参数实验结果

2.2.3 A95陶瓷材料准静态应力应变关系

2.3冲击加载下材料的动态应力应变关系实验

2.3.1传统的SHPB装置（胡时胜，1992）

2.3.2进行硬脆性材料实验时对传统SHPB应做的改进

2.3.3 A95陶瓷材料动态应力应变曲线实验结果

2.3.4材料弹性波速的实验研究

2.3.5动静态陶瓷材料力学性能实验结果的分析和总结

2.3.6两种陶瓷材料本构关系拟合

2.4本章小结及讨论

第三章：基于空腔膨胀分析与Tate模型的抗侵彻分析

3.1引言

3.2脆性材料的本构行为

3.3脆性材料空腔膨胀模型回顾

3.4脆性陶瓷的准静态球腔膨胀分析

3.4.1球腔膨胀分析

3.4.2柱腔膨胀分析

3.5脆性陶瓷的动态空腔膨胀分析

3.5.1破碎材料压剪系数m对动态空腔膨胀压力的影响

3.5.2抗压强度Y对动态空腔膨胀压力的影响

3.5.3侵彻速度v对动态空腔膨胀压力的影响

3.6基于Tate模型的侵彻分析

3.6.1Tate模型简介

3.6.2陶瓷材料应变率效应的假设

3.6.3侵彻分析的基本方程组

3.6.4模型预测与实验结果的对比

3.7本章小结及讨论

第四章：约束陶瓷靶抗侵彻性能实验研究及数值模拟

4.1引言

4.2实验研究

4.3数值模拟

4.3.1 LS-DYNA显式分析程序简介（ANSYS，公司，2000）

4.3.2 LS-DYNA的主要算法

4.3.3JH-2模型（T J Holmquist，et al.，2001）简介

4.3.4数值模型及计算

4.4陶瓷材料抗侵彻机理分析

4.5本章小结与讨论

第五章：全文总结与展望

5.1全文总结

5.2展望

参考文献