一种基于微裂纹损伤演化理论的动态本构模型在混凝土抗侵彻中的应用

As a kind of material commonly used in defense and military, the static and dynamic mechanical property and anti-penetration mechanism of concrete is a hot topic for scholars. Concrete is a complex multi-phase material. Study on damage mechanism of it is the focus and difficulty in the research of the constitutive relationship. The project defines damage as an independent physical quantity from the perspective of mesoscopic. The different damage modes can be distinguished from the damage mechanism. The damage evolution equations both under the coupled compression-shear actions and tensile are established. A computational constitutive model for concrete subject to large strains, high strain rates, and high pressures is presented. Constants are determined by static and dynamic mechanical performance experiments. By comparison of ballistic penetration data to verifies the rationality of the constitutive model. Computations are presented for a penetrator impacting a concrete target. As damages are strict distinguished from the mechanism in this study, both the distribution rules of damage and failure modes can be got. The crater on both the front and back surfaces of the concrete target can be well simulated by establishing proper failure criteria. The results can provide a scientific guidance on the improvement of concrete materials in the military protection.

作为国防和军工上常用的防护材料，混凝土的静动态力学性能及抗侵彻机理一直是国内外学者研究的热点，由于其内部成分的复杂性，混凝土的损伤机理更是动态本构关系研究中的重点和难点。本项目从细观角度给出了损伤作为一个独立物理量的严格定义，从损伤机理上区分了不同的损伤模式，分别提出了压剪耦合损伤演化方程和拉伸损伤演化方程，从而建立了一种适用于大变形、高应变率及高压下的本构模型。该本构模型中的参数通过相关静动态力学性能实验来确定，并通过开展混凝土靶板抗侵彻试验来验证所提本构模型的合理性。由于本研究对损伤从机理上进行了严格的区分，通过把所提含损伤动态本构关系应用于混凝土抗侵彻的数值模拟中，可以得到侵彻过程中混凝土靶板的损伤分布规律及破坏的具体形式，并通过建立适当的失效准则，模拟侵彻过程中承弹面开坑及背面层裂破坏现象，从而为混凝土材料在军事防护上的改进提供科学指导。

本研究开展了混凝土材料的静动态力学性能的实验研究，通过混凝土材料在低应变率MTS拉压实验和高应变率SHPB动态压缩实验得到材料在简单应力状态下应变率相关的应力应变曲线，通过混凝土材料的三轴围压实验，并结合相关文献上的数据得到材料强度的压力相关特性和材料的P-V关系曲线，从而在实验数据的基础上建立了混凝土材料的动态屈服准则、动态本构关系和高压状态方程。完成了混凝土材料拉伸破坏实验和围压破坏实验，以细观力学和损伤力学为指导，建立了材料的损伤演化模型和破坏准则。在HJC本构关系的基础上，修正其拉伸情况下的屈服准则、状态方程和损伤演化方程，从而提出一种基于微裂纹损伤演化理论的混凝土动态本构模型并确定其材料参数，通过把所提含损伤动态本构关系应用于混凝土抗侵彻的数值模拟中，得到侵彻过程中混凝土靶板的损伤分布规律及破坏的具体形式，通过建立适当的失效准则，模拟侵彻过程中承弹面开坑及背面层裂破坏现象，从而为混凝土材料在军事防护上的改进提供科学指导。