基于近场动力学对玻璃材料裂纹扩展和破坏形态的研究

来源 :太原理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:CRONALDO_7
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
玻璃材料具有耐高温、耐腐蚀和透光性好等优异的性能,在国民生产生活中扮演着重要的角色,被广泛应用于建筑幕墙、门窗、汽车风挡和航空航天等领域中。但是,玻璃结构作为一种典型的低强度脆性材料,在使用的过程中难免会受到爆炸冲击等强载荷的作用而发生损伤破坏,因此其抗冲击性能具有重要的研究价值。然而,目前对于强载荷下玻璃材料的裂纹扩展和破坏形态的数值模拟大多是基于传统的连续介质力学,需要引入额外的损伤准则和网格的特殊处理,无法精确模拟出裂纹的自发萌生和扩展等动态响应行为。本文以数值模拟分析为主,试验和理论为辅,基于近场动力学(Peridynamics,PD)方法研究了三种类型玻璃结构在爆炸冲击载荷下的裂纹扩展和损伤破坏行为,突显近场动力学方法在脆性材料数值模拟分析中的优势。具体研究内容和结果如下:(1)讨论了经典连续介质力学和近场动力学理论之间的区别和联系,推导了PD理论中的三种本构关系,为后文的数值模拟提供了必要的理论支撑,并简要介绍了关于PD数值模拟有限元软件和开源软件的实现方式。(2)利用单元删除法、不连续伽辽金PD(DG-PD)法和无网格粒子PD(M-PD)法分别模拟了冲击载荷下单层平板玻璃的动态响应,并分别以最大主应变、等效塑性应变和损伤因子来分别表示其损伤程度和裂纹扩展路径。发现单元删除法可大致模拟出玻璃在冲击载荷下的损伤形貌,但在捕捉裂纹分叉和贯通等方面略显不足,未见玻璃碎片的飞溅,无法通过对碎片飞溅速度评估其安全性能;DG-PD法中环状裂纹和径向裂纹明显,裂纹具有很高的对称性,冲击点和边框处有大量玻璃碎片的飞溅;M-PD法中能捕捉到径向裂纹和环向裂纹,且裂纹的对称性较好,近场域和冲击速度对平板玻璃的动态响应有着重要的影响,但就损伤形态而言,M-PD法和DG-PD法具有很高的一致性。(3)提出了一种新型的透明夹层结构,利用轻气炮试验装置探究了其在高速冲击载荷下的抗冲击性能,重点分析了陶瓷玻璃层和无机玻璃层的裂纹扩展行为,并采用DG-PD法对模型进行了相应的数值模拟。发现冲击试验和数值模拟均能很好地重现透明夹层结构的裂纹扩展过程,陶瓷玻璃层和无机玻璃层径向裂纹和环向裂纹明显;相比于试验而言,数值模拟可方便地观察到各层的损伤破坏和具体碎片的飞溅情况;陶瓷玻璃层和无机玻璃层吸收了冲击过程中的大部分能量,是此透明夹层结构抗冲击性能的重要体现。(4)针对爆炸载荷下夹层玻璃结构的裂纹扩展和损伤破坏行为进行了研究,通过部分试验和数值模拟的相对比来验证不连续伽辽金PD法的有效性和精确度,并采用大量工况说明爆炸距离、炸药当量、胶层厚度和玻璃厚度配比对夹层玻璃结构动态响应的影响。发现DG-PD可以很好地模拟夹层玻璃自发断裂失效和裂纹扩展行为;爆炸距离、炸药当量和PVB胶层厚度对夹层玻璃结构的动态响应有着显著的影响;通过对不同药量炸药下外层玻璃向内凹陷的最大挠度的比较,发现DG-PD方法与实验、单元删除法结果有很好的契合度,且DG-PD方法的误差范围低于单元删除法;DG-PD方法中外层玻璃的能量吸收率远远高于内层玻璃和PVB胶层,同时内外层玻璃厚度的分布对能量吸收率也存在很大的影响,DG-PD方法与单元删除法结果有很高的一致性。
其他文献
我国医疗市场开放以来,我国的民营医院实现了快速的发展。在新医改进行的当下,改进和完善医院的激励体系已经成为重要的工作,也是民营医院发展的重要任务。但是民营企业普遍存在医护人员数量不够、医护人员工作压力大、医护人员工作强度高以及医护人员队伍不稳定、离职率高等多方面的问题。山西RA医院属于山西太原当地一家民营性质的综合性医院,近年来国家对医疗卫生事业有了越来越多的扶持,同时新医改的实施也给山西RA医院
学位
轻质高强复合材料对于节能减排和降低成本具有重要意义,是当前航空航天、军事国防等尖端领域的研究热点。近些年来,科学家们受天然生物结构的启发,通过模仿生物结构中的精细层级结构,设计并获得了一系列轻量化仿生结构材料,为高性能复合材料的设计和制造提供了新的途径。例如,研究人员通过模仿贝壳珍珠层的“砖-泥”交错的层级结构获得了兼具高强度和高韧性的仿生结构材料。在最近研究中,科学家发现了一种存在于海洋中被称为
学位
采用激光烧蚀氧化石墨烯薄膜,可实现其微尺度图案化加工,以应用于微纳米电子器件。但激光冲击下氧化石墨烯薄膜的结构及力、电性能变化直接影响了器件稳定性和可靠性。为研究超高应变率加载对氧化石墨烯薄膜的结构及性能的影响,本文进行了如下研究:(1)采用真空抽滤的方式将氧化石墨烯分散液抽滤到滤膜上形成氧化石墨烯薄膜,再将其置于玻璃基底上,以便对其进一步研究。采用不同功率激光冲击氧化石墨烯薄膜,通过对其表面形貌
学位
随着我国科技和工业水平的不断发展,制造业对材料综合性能的要求变得越来越高。尤其是在航空航天、国防军工等尖端领域,不仅要求材料具备高强、高韧等多方面特性,同时还要求它们能够在复杂服役环境下兼具轻质和良好抗氧化、抗蠕变等性能特点,这将对工程材料的设计与制备提出了更高、更苛刻的要求。与人造材料相比,历经千百万年进化而来的纷繁复杂的天然生物材料具有多方面的鲜明优势。特别是贝壳珍珠母,作为被研究和模仿最多的
学位
有机电化学晶体管(OECT)由于具有良好的生物兼容性、较低的工作电压以及高跨导等特点被广泛用于生物传感领域。从OECT诞生至今,尽管OECT的器件物理以及模型已不断完善,但其内部的微流体离子输运机理目前尚未明晰,因而离子输运仍然是影响OECT器件性能的关键因素。本文围绕OECT内部的微流体离子输运对于器件以及传感器性能的影响展开了以下几个方面的研究工作:(1)使用循环伏安法来制备OECT的有机半导
学位
锂离子电池是一种新型的能源系统,广泛地用于各类电子设备,且随着在大范围的医用设备和航天等行业的应用中,安全问题日益凸显。开发高效率的清洁储能系统尤为重要。钠离子电池和锂离子电池的储存机制类似,并且在地球的地壳中存在着大量的钠资源。但是,由于钠离子半径比锂离子大,以及商业化的锂离子电池负极(石墨)的层间间隙小,不能有效地进行钠离子嵌入/脱嵌。因此,研制高能量密度、使用寿命长的钠离子电池负极材料,是解
学位
透明材料在提供良好可视效果的同时,兼具一定的刚度和耐久性,广泛应用于特种防护、交通载具、光学器件等领域。传统的透明材料诸如玻璃、陶瓷等,均属于脆性材料,一旦失效将会迅速破裂,并产生锋利碎片容易引发二次伤害。随着复合材料学科的不断发展,研究人员尝试将多种透明材料结合在一起,制备兼具多种材料优点的透明夹层结构。传统复合结构遵循设计-制备-仿真-实验-调整优化的流程,研发周期较长,且面对多目标性能的设计
学位
Nb3Sn超导体在磁约束核聚变以及高能物理超导磁体领域有着广泛的应用需求。Nb3Sn超导体临界性能的应变效应是强磁场超导磁体领域中重要的研究课题。Nb3Sn超导体的超导临界性能对应力和应变极其敏感,当承受外载作用时,超导性能随之变化,当超导体承受的应变超过其不可逆应变极限时会产生裂纹,导致超导临界性能大幅下降,进而诱发失超。研究Nb3Sn超导体的损伤断裂行为对于揭示超导临界性能弱化背后的力学机制以
学位
本研究采用真空电弧熔炼炉制备了Al0.1CoCrFeNiTix(X=0.1,0.3,0.5)高熵合金,通过Instron5969万能试验机和霍普金森压杆系统研究了应变率对合金室温力学性能、微观组织和变形机制的影响。通过冷轧和退火优化了Al0.1CoCrFeNiTi0.1高熵合金的组织和性能,并使用Instron5969万能试验机测量了该合金在室温和低温下的准静态拉伸力学性能,以及使用分离式霍普金森
学位
随着现代工业的发展和技术的进步,对工业构件的要求愈加严格,2219铝合金作为优质工业用合金,其部分性能优于钢铁;因为铝金属元素密度低,所以加入其他元素构成的2219铝合金质量轻且强度高;2219铝合金的相关金属构件应用于工业生产大大减轻了物体的质量实现了减重的目标,因此被广泛应用于航空领域;飞机机身的蒙皮等均是由铝合金组成。故本文基于2219铝合金在实际生活中的应用对其力学性能展开分析,主要研究材
学位