基于Drucker-Prager准则的PBX准静态变形与破坏研究

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高聚物粘结炸药(Polymer Bonded Explosive,PBX)是由单质炸药与高聚物粘结剂等组成的颗粒性复合材料,也属于摩擦材料。其准静态变形与破坏研究关系到武器系统的可靠性与安全性。针对PBX准静态下的力学行为,基于Drucker-Prager系列准则开展PBX变形与破坏研究。Drucker-Prager准则是表征压力相关的强度准则,在偏平面上是圆形。其修正了von-Mises准则与压力无关的特点,也修正了Mohr-Coulomb准则偏平面上不规则六边形数值求解时产生奇异性的问题。因此其在颗粒性材料的数值模拟计算中有比较广泛的应用。本文采用Drucker-Prager准则来研究PBX材料的变形与破坏问题。在Drucker-Prager准则基础上,基于广义塑性理论,结合相应的非关联流动势函数与流动法则,建立适用于PBX材料的相应的增量型D-P本构关系。分析了PBX的弹塑性变形过程,解析求解了单轴压缩、单轴拉伸、等双轴压缩、等双轴拉伸等实验状态下的应力应变关系,并将之与实验数据、数值模拟结果相对照。得出所建立的增量型D-P本构关系对于单轴压缩、单轴拉伸是较为吻合的,并得出双轴压缩的强度略高于单轴压缩,双轴拉伸的强度略低于单轴拉伸的结论,该结论与PBX材料力学行为是一致的。在增量型D-P本构关系基础上,引入损伤因子,即塑性损伤模型(Damage plasticity model)。借用混凝土中的损伤因子表征方法,归一化而得PBX材料的损伤因子。确定了该模型中所需参数,分析了其具体计算过程。将其应用于单轴拉伸、单轴压缩与巴西圆盘实验状态中。得出:该模型适用于塑性较低的PBX材料,并能较好地描述出单轴拉伸单轴压缩状态下的应力应变关系,但其描述PBX巴西圆盘状态中的二次承载现象并不理想。其在相应状态下的应力应变关系趋势的描述与PBX力学行为一致。但其在精确性上仍然需要更进一步的研究,尤其是在复杂应力状态下的力学行为的精确描述方面。本文分析了PBX结构的承受温差能力,以无内压厚壁球结构为入手点,在相应强度准则下,推导了承受温差能力公式,分析了影响承受温差能力的因素(材料特性、结构尺寸)。并比较了国内外三种常见PBX材料(美国PBX-A、英国PBX-E和中国PBX-C)的材料特性的异同点与承受能力异同,为工程生产中优化材料性能提供了思路。最后,为使PBX材料在应力空间的破坏包络面与Drucker-Prager准则能够更好地对应,对Drucker-Prager准则进行了相应极端条件下的修正。一步步分析传统Drucker-Prager准则、线性Drucker-Prager准则、双曲线Drucker-Prager准则及Lublinear屈服准则的优缺点,最后提出结合双曲线Drucker-Prager准则与Lublinear屈服准则优点的一种适应性更广泛的修正的Lublinear准则。
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