孔隙類工程材料的靜動態(tài)力學性能研究和在防護工程中的應用.pdf

1、研究既有良好吸能消波效果又有較高強度的新型材料及其相應配置防護層在防護工程中具有重要應用價值，也具有重要的學術價值。本文以成層式防護工程為研究背景，結合含孔隙材料中的空穴對應力波的繞射隔離效應和消波效應，研究制備了一種新型的硅鋁質泡沫陶瓷材料，在此基礎上研制了具有母體材料微孔隙-殼體內穴-殼間空穴的三重空穴隔離效果的空殼顆粒材料，并將其應用到成層式防護工程的分配層中，考察該種新型材料對爆炸波的削弱作用。首先采用理論分析、動靜態(tài)力學實驗和

2、數值計算等方法來對孔隙率為75％的硅鋁質泡沫陶瓷材料的動靜態(tài)力學性質和本構模型進行分析和討論;然后再將空殼顆粒材料應用到成層式地下防護結構的分配層中進行化爆模擬試驗，并與傳統(tǒng)黃沙分配層的消波效果進行對比，并揭示了新材料和防護層的優(yōu)勢;最后以對非均質復雜防護層進行“等效本構模擬”的思想，對化爆試驗進行數值模擬，并分析了有關參數的影響，說明了方法的工程適用性。以實驗結果為基礎，提出了三種不同的函數來描述混凝土材料的應變率效應，并以長桿彈侵徹

3、混凝土靶板試驗為依據進行了抗侵徹數值模擬。研究成果對于新型的泡沫陶瓷材料和混凝土類材料在民用和軍事領域的研發(fā)和推廣具有一定的參考價值。本文的主要研究內容和成果如下:
　　利用MTS（Material Test System，材料試驗機），對硅鋁質泡沫陶瓷材料進行不同應變率下準靜態(tài)一維應力壓縮實驗，得到了應力應變曲線、屈服強度和楊氏模量等力學參數，結果顯示其屈服強度和屈服應變均隨著應變率的增加而增大。通過對應力應變曲線進行最小二乘法

4、擬合，提出了一種形式簡單的單參數唯象學本構模型，實驗結果與擬合結果符合良好。同時對該種材料進行低應變率下含卸載的準靜態(tài)一維應變單軸壓縮實驗，直接測得了應力應變曲線、屈服強度、屈服應變和軸向彈性模量，發(fā)現材料的屈服應力隨著應變率的增加而增大。從廣義胡克定律出發(fā)，根據一維應力和一維應變加載下測得的軸向彈性模量計算得到了材料的泊松比。最后根據應力應變曲線對材料在不同應變率下的壓縮吸能效果進行了對比分析，結果顯示材料的能量吸收值隨著應變率的而提

5、高而增加。
　　利用SHPB（Split Hopkinson Pressure Bar，分離式霍普金森壓桿）對硅鋁質泡沫陶瓷材料進行了較高應變率(0s-1100s-1)下的沖擊壓縮實驗，實驗直接測得了應力應變曲線、屈服強度和楊氏模量等力學參數，并探討了屈服強度的應變率效應。對脆性泡沫材料的SHPB實驗技術作了針對性的研究，并通過使用大尺寸壓桿、橡膠質波形整形器和半導體應變片來改進脆性泡沫材料的動態(tài)壓縮實驗技術。結果顯示，新方法能更

6、好地保證動態(tài)壓縮實驗過程的等應變率特性、試件的應力均勻性和實驗結果的一致性。最后簡單分析了沖擊加載下材料應力應變曲線的特征。
　　以分層式防護結構的消波減震性能為研究背景，將具有三重空穴隔離效應的空殼顆粒材料應用到成層式防護結構中。首先對野外化爆縮尺比試驗的相似律問題進行了理論分析，并對應力波在層狀介質中的傳播規(guī)律進行了推導。將一種由硅鋁質泡沫陶瓷材料燒結而成的球形中空空殼顆粒材料應用到防護結構的分配層中，通過大尺比野外化爆試驗對

7、比分析了傳統(tǒng)的黃沙分配層和空殼顆粒材料分配層在爆炸載荷下對爆炸波的消弱效果。結果顯示，空殼顆粒材料比黃沙具有更強的消波耗能效應，前者所構建的分配層對應力波峰值的衰減幅度比后者要高出40％以上，而且空殼顆粒構建的分配層在二次爆炸加載過程中也能夠大幅削弱爆炸波強度。最后以對爆炸載荷應力波衰減效果為目標提出了一種對非均質復雜防護層進行等效本構模擬的思想，利用等效本構模型和有限元計算軟件ANSYS/LS-DYNA對集中藥包爆炸條件下爆炸波衰減效

8、果進行數值模擬，結果顯示所選材料本構能較好地描述空殼顆粒材料在防護結構中的消波效應。
　　在對混凝土類材料的幾種常用的本構模型進行對比分析的基礎上，根據高低應變率下的單軸壓縮實驗結果對C40混凝土單軸壓縮屈服強度的應變率效應進行了研究，經擬合得出了屈服強度與應變率之間的分段線性表達式、連續(xù)過度的冪次型函數表達式和雙對數平面內的指數函數表達式。以長桿彈侵徹鋼纖維混凝土靶板的模擬試驗為依據，利用有限元計算軟件ANSYS/LS-DYNA