多孔酚醛材料的层裂实验研究和数值模拟

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现代航空航天器壳体的选材对材料的力学性能、耐受温度的性能以及隐身能力等方面具有很高的要求,单一金属或非金属是很难满足其要求的,因此多孔材料复合体是目前航空航天器壳体材料的发展方向。航天器壳体以铝锂合金为基体,外覆以酚醛类材料作为耐热和吸能材料。酚醛类材料制备工艺简单、密度小而质量轻、易于调节空隙度和较好的吸能耗波性能,特别是由于它具有很好高温耐受优势,是一种具有优异的难燃、自熄、低烟雾、耐火焰贯穿等优点的新型材料,因此在航空、航天等广泛的国防和高科技领域得到越来越广泛的应用。但是,迄今为止,国内外尚缺乏对其动态力学参数单独的实验测量结果,更缺乏对其动态力学性能参数的系统实验和理论研究结果,因此,对其的动态力学性质的研究就显得极其重要。本文通过理论分析、实验研究以及数值计算相结合的方法,系统地研究了新型多孔酚醛和碳酚醛材料的动态力学性质。 在理论分析和实验研究方面,首先以本构关系中的内变量理论为基础,分析研究了含损伤材料的粘塑性本构关系的一般形式,并给出了几种典型模型的具体形式;然后对多孔酚醛材料和碳酚醛材料进行了材料试验机、霍普金森杆以及轻气炮高速撞击试验,以此种材料的实验数据为基础,分析研究了在实验后获得的实验结果,以本构关系理论和冲击波理论为指导,得到了这两种材料的动态本构关系和高压物理方程的形式以及相关材料参数。 在数值计算方面,本文在实验室前人工作的基础上,研究得到了多孔酚醛材料的损伤演化方程,将得到的多孔酚醛材料本构关系的具体参数、高压物理状态方程以及损伤演化方程嵌入到程序中对多孔酚醛材料高速撞击的层裂实验进行了数值模拟,重点模拟分析了实验和计算中得到的自由面粒子速度时程曲线;以其相互符合为基础的到了其损伤演化方程和层裂中的材料参数。最后利用有限元软件LS-DYNA对多孔酚醛材料高速撞击过程进行了模拟,从损伤理论出发,分析研究了材料受到高速冲击后的破坏模式,解释了计算中出现的层裂损伤现象,且与试验结果进行了比较。上述工作的计算结果和实验结果有着良好的一致性,说明本文所建立的计算模型和方法是合理的。
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