爆炸冲击下珊瑚砂动态本构模型

以珊瑚砂为主要覆盖域的岛礁在面临动力灾变时,确定岛礁工程抵抗极端冲击荷载的阈值至关重要,珊瑚砂的动态本构关系是防护工程设计的关键要素。本文中,根据SHPB实验和静态压缩实验的结果,提出了一种基于应变率强化规律确定珊瑚砂物态方程的方法,并确定了珊瑚砂动态本构模型的参数。分别基于流体弹塑性模型和Perzyna黏塑性帽盖模型,结合LS-DYNA有限元程序,通过对侵彻和爆炸的数值计算,验证了模型的适用性。基于建立的模型,对不同相对密实度的珊瑚砂开展了侵彻和爆炸数值计算,结果表明,密实度对爆炸波的衰减影响较大、对侵彻深度的影响较小。     

混凝土黏塑性动力损伤本构关系

从静力弹塑性损伤本构关系的基本框架出发, 综合考虑塑性应变与损伤 演化的率敏感性, 建立了能够较为全面地描述混凝土在动力加载条件下非线性性能的混凝土 黏塑性动力损伤本构模型. 为了考虑塑性应变的率敏感性, 基于Perzyna理论推导了有效应 力空间黏塑性力学基本公式, 采用改进的Perzyna型动力演化方程, 将损伤静力演化方程推 广到动力加载情形. 基于并联弹簧模型, 从概率论的角度推导给出了一维损伤静力演化方程, 并基于能量等效应变的基本概念将其推广到多维损伤演化. 利用数值模拟, 计算得到了 混凝土在不同应变率下的应力应变全曲线, 同时得到了一维动力提高因子和二维动力强度包 络图, 数值结果与试验结果的对比表明了该模型的有效性.     

一种孔隙介质力学模型及在水泥基材料的应用

基于细观力学和断裂力学的基本理论提出一个新的分析模型, 对孔隙介质的力学性能进行了分析. 依据孔隙介质内部孔隙的几何描述和状态参数,如孔隙率、形状、尺度及分布等,通过等效夹杂理论获得孔隙介质的等效本构方程,其最终变量为应力、应变和孔隙的形态参数. 根据断裂理论中材料承受载荷作用下破坏增长过程中的能量守恒,对孔隙介质变形过程中机械能、弹性应变能和载荷提供的势能进行分析, 根据能量守恒定律建立能量守恒方程,其最终变量也为应力、应变和孔隙的形态参数. 根据等效本构方程和能量守恒方程,获得孔隙介质承受载荷作用下的应力应变关系. 最后将该力学模型应用于水泥基材料,计算水泥基材料的力学性能并与文献中的结果进行对比分析,结果显示模型的计算结果准确有效.      

复合材料层板的抗贯穿机理与模拟研究

为了研究树脂基纤维增强复合材料层板的抗侵彻贯穿机理和动态力学行为与抗侵彻毁伤的关系, 通过球形破片模拟弹贯穿实验表征了复合材料层板抗高速侵彻的吸能特性;通过高速摄影技术分析了层板 贯穿过程的瞬态变形失效特点;采用CT扫描成像及SEM 电镜分析等手段研究了复合材料层板的抗贯穿破 坏耗能模式。实验结果显示,高速冲击下层板抗贯穿吸能与入射速度成正比;高速侵彻过程是复合材料层板 高应变率变形的动态过程,高应变率动态力学行为对复合层板抗贯穿吸能特性影响显著;冲击波在层板中的 传播特性决定了不同破坏模式阶段的划分以及损伤区域的范围。基于复合层板高速贯穿下的动力学瞬态分 析,建立了复合层板抗高速侵彻吸能的两阶段动态破坏模型,模型计算值与实验值符合良好。研究结果表明, 应变率效应与惯性效应在复合材料层板抗侵彻性能分析中是不可忽视的2个关键因素。     

考虑摩擦因数变化的弹体高速侵彻混凝土质量侵蚀模型研究

弹体在高速侵彻混凝土介质时,由于弹靶之间强烈的局部作用,导致弹体发生质量损失和弹头钝化。为进一步探究弹体高速侵彻混凝土靶质量侵蚀效应及其影响因素,基于热熔化机制及变摩擦因数模型,考虑弹体侵彻过程中头部形状变化,修正了弹体高速侵彻混凝土质量侵蚀模型。为验证模型的可靠性,基于30 mm弹道炮平台,开展了卵形弹体高速(700～1 000 m/s)侵彻典型混凝土靶体实验,获得了弹体高速侵彻质量侵蚀结果。结合理论模型对本文实验及文献实验数据进行了对比分析计算,验证了本文修正模型的可靠性。结果表明:弹体侵彻过程中,滑动摩擦项占总摩擦力的10%～40%,它对弹体侵彻过程的影响不能被忽略;考虑摩擦因数变化的质量侵蚀模型预测结果与已有实验数据吻合得较好;与本文实验数据的最大误差不超过7%,能较准确地预测不同工况下弹体的质量损失。     

混凝土薄板的侵彻破坏响应实验

通过实验研究了混凝土薄板的侵彻响应,讨论了混凝土侵彻问题研究的理论模型和数值模型应注 意的几个问题。实验研究中,采用应变片、加速度计和高速摄影测试和记录了侵彻过程中混凝土薄板的力学 响应过程。实验结果表明,边界不仅是应力波反射的主要影响因素,而且还是结构整体冲击响应和破坏的主 要因素。通过综合分析实验数据,建立了混凝土薄板侵彻分析的三阶段力学模型:侵彻初期必须计及应力波 的影响,随着侵彻的深入,应力波的作用逐渐减弱直至消失,碎块的惯性运动逐渐加强,后期主要是残块在惯 性作用下的运动。     

动力损伤后的脆性岩石静力蠕变断裂模型研究

应力波动力扰动下脆性岩石的静力蠕变特性,对深部地下工程围岩变形的评价有重要的实践意义.动力载荷作用导致的局部细观裂纹损伤严重影响脆性岩石蠕变力学行为.基于细观裂纹扩展与应力关系模型、动力扰动损伤演化函数、静动力载荷演化路径函数与黏弹性本构模型,提出一种应力波动力扰动下脆性岩石蠕变断裂特性的宏细观力学模型.其中动力损伤通过控制岩石内部细观裂纹数量变化实现.模型描述了应力波动力扰动下岩石的应变时间演化曲线,解释了岩石动力扰动下蠕变失效特性.研究了不同应力波幅值及周期影响下的脆性岩石应变-时间关系曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性.讨论了动力损伤变化形式,突变发生时刻,突变量的大小对岩石蠕变失效特性的影响.分析了应力波幅值、周期对岩石动态动力损伤效应以及蠕变失效特性的影响.主要研究结果:动力损伤的变化值越大,岩石蠕变失效发生时间越短.冲击载荷扰动期间,动力损伤发生的时刻及增加的形式,对动力扰动后的岩石应变及蠕变破坏时间影响很小.动力损伤变化量随应力波幅值增加、周期减小而加速增大.应力波幅值越大、周期越小,岩石发生蠕变失效时间越短.     

复杂应力状态下岩土材料非线性本构模型研究

基于统一强度理论,将洛德参数引入统一强度理论,推导出材料的统一强度参数,进而分析中间主应力以及主剪应力系数对材料统一强度参数的影响。在此基础上,对邓肯张双曲线模型进行改进,使得该模型能够反映复杂应力状态下的应力应变关系。采用粘土的平面应变试验进行验证,结果表明:在平面应变情况下,当b=0.4时,模型能够较好地反映粘土的应力应变关系,及其强度参数。分析了洛德参数以及中间主应力系数对模型的影响,进一步说明岩土材料存在主应力效应。该模型能够反映不同材料在复杂应力状态下的应力应变关系,有其更为广泛的适用性。     

混凝土WW三参数率相关动态本构模型

根据一致粘塑性模型理论，结合所做的混凝土单轴动力特性试验，对常用的混凝土本构模型Willam—Warnke三参数模型进行改进，引入应变率的影响，推导了Willam—Warnke材料的动态率相关本构模型；并与试验的应力应变曲线进行比较，结果表明本文模型能够较好地反应混凝土的动力特性；最后，通过对一受冲击荷载的简支梁进行计算，并与线弹性及率无关塑性结果进行比较，结果表明考虑了应变率的影响后梁的动力特性发生了较大的变化。     

基于分形理论的高强混凝土动态损伤本构关系

基于高强混凝土（HSC）试块在SHPB冲击实验中的分形损伤演化规律,推导了HSC的分形损伤变量表达式,标定了HSC裂纹的分形维数范围。然后参考ZWT模型,并结合HSC实验过程中的应变率相关性、动态损伤特性及近似恒应变率,推导了分形损伤演化的HSC动态损伤本构方程。采用4组应变率工况下的C60、C80混凝土应力-应变曲线对本构方程进行验证,理论曲线和实验曲线吻合较好。     

钙质砂的准一维应变压缩试验研究

利用?100 mm的Hopkinson压杆研究了不同预压力条件下,受侧限约束的钙质砂在500～800 s~(-1)应变率范围、0～200 MPa压力范围内的动态力学特性,并利用HUT106D万能材料试验机研究了相同条件钙质砂在2×10~(-3) s~(-1)应变率、0～120 MPa压力范围内的静态力学特性。研究发现,当再次加载超过一定值后,预压力对钙质砂力学特性的影响不大;Tait物态方程可以描述钙质砂的静态容变关系及高压下的动态容变关系;钙质砂的体积压缩过程存在应变率效应。     

冲击载荷下孔隙塌缩过程的数值模拟

爆炸压实过程中多孔体的孔隙闭合程度对压实效果起着决定性作用。利用LS-DYNA有限元程序,对无氧铜中的圆形孔隙塌缩过程进行了数值模拟。根据模拟结果分析得出,在6 GPa的冲击压力下,孔隙闭合时不同边界区域会发生爆炸焊接和射流侵彻,这2种结合机理可以使材料结合更牢固,提高材料的致密度和机械强度,实现高质量的爆炸压实。     

Penetration of Cylindrical Projectiles into Saturated Sandy Media

The time and depth of vertical one-dimensional projectile penetration into sandy media in the near shore region are derived. A precise definition for the physical properties and for the behavior of the sandy medium following the projectile impact are evaluated. Three separate time intervals following projectile impact are identified. During the first 3 ms of penetration, the deviatoric friction stress is shown to be negligible and the integrated Mie–Grüneisen equation of state (or, equivalently, the Hugoniot-adiabat) may be applied to compute the normal penetration resistance force from the sand pressure. In order to compute sand pressure as a function of the sand density D by the integrated Mie–Grüneisen equation of state, the Mie–Grüneisen dimensionless constants γ₀ and s and the dimensional speed of sound C ₀ in the sandy medium are required. In order to illustrate the one-dimensional shock wave propagation in both wet and dry sands, Hugoniot data for wet and dry silica sands are evaluated by a three degrees of freedom algorithm to compute these required constants. The numerical results demonstrate that the amplitude of the shock wave pressure in the wet silica sand (41% porosity) is approximately one-third of the shock wave pressure amplitudes in the dry silica sands (22% and 41% porosity). In addition, the shock wave pressure dampens quicker in the wet sand than in the dry sands.     

Dynamics of inelastic deformation of porous rocks and formation of localized compaction zones studied by numerical modeling

The paper presents a numerical analysis of the inelastic deformation process in porous rocks during different stages of its development and under non-equiaxial loading. Although numerous experimental studies have already investigated many aspects of plasticity in porous rocks, numerical modeling gives valuable insight into the dynamics of the process, since experimental methods cannot extract detailed information about the specimen structure during the test and have strong limitations on the number of tests. The numerical simulations have reproduced all different modes of deformation observed in experimental studies: dilatant and compactive shear, compaction without shear, uniform deformation, and deformation with localization. However, the main emphasis is on analysis of the compaction mode of plastic deformation and compaction localization, which is characteristic for many porous rocks and can be observed in other porous materials as well. The study is largely inspired by applications in petroleum industry, i.e. surface subsidence and reservoir compaction caused by extraction of hydrocarbons and decrease of reservoir pressure. Special attention is given to the conditions, evolution, and characteristic patterns of compaction localization, which is often manifested in the form of compaction bands. Results of the study include stress-strain curves, spatial configurations and characteristics of localized zones, analysis of bifurcation of stress paths inside and outside localized zones and analysis of the influence of porous rocks properties on compaction behavior. Among other results are examples of the interplay between compaction and shear modes of deformation.To model the evolution of plastic deformation in porous rocks, a new constitutive model is formulated and implemented, with the emphasis on selection of adequate functions defining evolution of yield surface with deformation. The set of control parameters of the model is kept as short as possible; the parameters are carefully selected to have simple and intuitive physical interpretation whenever possible. Results demonstrate that evolution of the yield surface with deformation has major influence on the resulting characteristics of deformation patterns, which is not sufficiently acknowledged in the literature.     

含电子相影响的多功能含能结构材料冲击压缩理论计算

为了更好地描述疏松态金属材料的冲击压缩特性,基于托马斯-费米原子统计模型,研究金属晶体中电子热行为对系统内粒子数、内能、压强等参数的影响,修改了描述疏松金属材料的Wu-Jing模型中的参数R的计算方法。结合混合物的冷能叠加原理,得到考虑电子相影响的疏松态混合物物态方程。并对不同配比的密实态W/Cu合金、不同疏松度的Al/Ni合金的典型多功能含能结构材料进行计算,获得其冲击压力-比容关系及冲击波速度-粒子速度关系,计算结果与实验结果吻合较好。结果表明,本文中模型对未反应条件下的金属材料冲击压缩特性预测较好;疏松材料的冲击压力-粒子速度关系并不呈现出密实材料的近似线性关系,其冲击压缩过程分为压实前和压实后2个明显的阶段;多功能含能结构材料的冲击压缩特性受材料孔隙率、材料配比等影响明显。     

基于LS-DYNA的高速破片水中运动特性流固耦合数值模拟

基于大型有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,建立三维长方体高速破片在水介质中运动的有限元动力分析模型,采用ALE方法对破片在水下运动过程进行流固耦合数值模拟,获得了破片的速度衰减曲线。研究了速度衰减规律、破片墩粗变形规律以及冲击波传播过程。得到高速破片的侵彻能力随速度的变化规律:当初速度大于910~1 115m/s时破片头部将产生显著变形,并大大影响其侵彻阻力;当破片速度较小时,水中侵彻距离随破片初速的增大而增大,当破片速度达到某临界值以后,侵彻距离将随初始速度的增大而逐渐减小。     

Effect of Particle Morphology,Compaction, and Confinement on the High Strain Rate Behavior of Sand

The effect of grain shape, size distribution, intergranular friction, confinement, and initial compaction state on the high strain rate compressive mechanical response of sand is quantified using Long Split Hopkinson Pressure Bar (LSHPB) experiments, generating up to 1.1 ms long load pulses. This allowed the dynamic characterisation of different types of sand until full compaction (lowest initial void ratio) at different strain rates. The effect of the grain morphology and size on the dynamic compressive mechanical response of sand is assessed by conducting experiments on three types of sand: Ottawa Sand with quasi-spherical grains, Euroquartz Siligran with subangular grains and Q-Rok with polyhedral grain shape are considered in this study. The adoption of rigid (Ti64) and deformable (Latex) sand containers allowed for quasi-uniaxial strain and quasi-uniaxial stress conditions to be achieved respectively. Additionally, the effect of intergranular friction was studied, for the first time in literature, by employing polymer coated Euroquartz sand. Appropriate procedures for the preparation of samples at different representative initial consolidation states are utilized to achieve realistic range of naturally occurring formations of granular assembly from loose to dense state. The results identify material and confining sample state parameters which have significant effect on the mechanical response of sand at high strain rates and their interdependency for future integration into rate dependent constitutive models.     

颗粒物质对风积沙压实特性影响研究

本文从颗粒物质的角度探讨了风积沙的压实特性和机理。研究表明,风积沙的重型击实试验曲线呈"双驼峰"形式,表明风积沙具有干压实的特性,水在风积沙的压实过程中扮演着不同的作用|室内振动试验表明振动加速度及振动时间影响着风积沙"巴西坚果效应"与"反巴西坚果效应"之间的转化,从而影响风积沙的振实密度,二者均存在一个产生最大振实干密度的最优值。现场试验通过控制机械参数(振幅A=0.4mm,频率f=48Hz)在压实5遍的时候,可使压实度达到96.8%,CBR值达到25.3,均能满足《公路路基设计规范》要求。     

颗粒型砂介质的受压力学特征及屈服滑动

提出颗粒型砂介质在压实过程中的两种特征：孔隙填充状态和颗粒滑动状态；针对孔隙填充状态的力学行为特征，提出相对体积改变量(压实量)作为表征此状态的特征参量，研究了瞬时压缩模量与压实量的函数关系；针对型砂的颗粒滑动状态，提出具有强化效应的Mohr-Coulomb屈服条件，推导描述颗粒屈服滑动状态的增量本构方程、以及三轴压实过程条件下的状态本构方程，最后，就不同侧向压力下的三轴压缩试验、带模样的型砂压实试验的大量试验数据进行处理和验证。