考虑旋转效应的率相关键基陶瓷近场动力学本构研究

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陶瓷因其优良的抗冲击性能,现已成为装甲防护中的核心材料。明确陶瓷复合装甲抗侵彻机理,对于设计新型高性能复合装甲极为重要。然而陶瓷抗侵彻过程既是一个高速冲击过程,也是一个高度非线性的过程,包括材料的损伤、断裂和飞溅等难以观测的行为,如何了解其动态侵彻过程是研究陶瓷侵彻机理的一个难点。发展针对陶瓷侵彻行为仿真的本构模型和数值模拟方法可以为研究陶瓷侵彻机理提供有效的工具,为研究高性能复合装甲奠定基础。本文围绕近场动力学(Peridynamics,PD)仿真陶瓷侵彻过程这个目标,针对已有的率相关键基近场动力学本构模型的泊松效应这一固有缺陷,即三维条件下,该模型预测的材料泊松比始终为0.25。通过引入切向键力,对原模型进行了修正,建立了考虑旋转效应的率相关键基陶瓷近场动力学本构模型。该模型修正了原模型不能准确仿真不同泊松比材料的缺陷,从而可以精确地仿真陶瓷侵彻行为。论文的主要内容及成果如下:(1)建立了考虑旋转效应的率相关键基近场动力学本构模型。首先通过在原模型中引入切向键力,考虑了键的旋转运动,建立含有旋转效应的键力模型;随后,重新定义了损伤判断准则,分别引入了拉剪耦合失效和压剪耦合失效时键的损伤定义,完善了率相关键基近场动力学本构模型;最后,得到了考虑旋转效应的率相关键基近场动力学本构模型。(2)推导了考虑旋转效应的率相关键基近场动力学本构模型的计算格式。建立了基于该本构模型的空间和时间离散格式;针对考虑旋转作用的键力,修改了原有的键力更新算法,添加了切向键力失效的算法流程。然后在上述离散格式的基础上修正了陶瓷侵彻分析的近场动力学程序框架和流程,并采用Fortran语言编写了模拟陶瓷材料侵彻行为的计算程序。(3)验证了考虑旋转效应的率相关键基近场动力学本构模型的正确性,并进行了参数的敏感性分析。首先通过围压模型的近场动力学仿真实验,给出了从加载到卸载过程中陶瓷材料的响应,对比结果证明了本文提出的模型的计算结果较原模型更为准确;随后进行了陶瓷柱模型的单轴压缩模拟,进一步验证了本文模型的正确性;最后分析了邻域尺寸和粒子间距对仿真结果的影响,结果表明本文提出的本构模型可以准确地模拟陶瓷材料的侵彻动态力学行为,并给出正确的陶瓷损伤和破坏模式。(4)验证了本文模型仿真陶瓷侵彻过程的正确性,并开展了陶瓷侵彻机理分析。首先依据参数敏感性分析的结果,选择合适的分析参数,对陶瓷板的正面冲击、侧面冲击实验进行了仿真模拟,并将陶瓷靶板在侵彻过程中的裂纹扩展模式、损伤变化情况以及在不同冲击速度下裂纹萌生和扩展的规律与实验和其他数值仿真结果进行对比,验证了该本构模型可以有效地模拟侵彻的全过程;最后对陶瓷板中的损伤和应力变化过程进行了机理分析,进一步验证了修正模型在描述多种陶瓷材料损伤行为的有效性。
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