混凝土侵彻破坏特性细观数值模拟与实验研究

在现有的混凝土侵彻破坏分析中，均假设混凝土为各向同性的均匀性材料，但混凝土实际上是由骨料、砂浆和二者间的粘结带组成的三相复合材料，各组成相的力学性能存在一定的差异，具有明显的非均匀性和各向异性。其非均匀性和各向异性将影响动能弹的侵彻弹道。本课题拟从细观出发，研究混凝土的非均匀性对动能弹侵彻弹道的影响规律。首先研究骨料、砂浆及其界面的力学特性，以及骨料随机分布的数值建模方法。在此基础上，通过数值摸拟和实验研究材料非均匀性对弹道轨迹、过载、弹体响应等的影响，分析不同撞击速度、着角等条件下弹体对混凝土靶的侵彻破坏物理过程，探索动能弹对混凝土类非均质多相复合材料的侵彻破坏规律和毁伤机制。

基于前人研究结果，本研究提出了极坐标射线法，实现三维随机骨料的高效生成和投放，采用极坐标延拓法实现粘接过渡层(ITZ)的快速生成，采用背景网格技术实现砂浆、骨料、粘接层单元网格的划分，生成混凝土细观有限元模型具有较高的计算效率和可靠性；通过小尺度动能弹对碎石混凝土、金属骨料复合靶侵彻破坏效应细观数值模拟，获得了弹体和靶体典型破坏现象和破坏模式，采用正交实验设计与统计分析方法，研究了材料非均匀性对弹道轨迹、过载、弹体响应等的影响，分析不同撞击速度、着角等条件下弹体对混凝土靶的侵彻破坏物理过程，探索动能弹对混凝土类非均质多相复合材料的侵彻破坏规律和毁伤机制；设计火炮加载小尺寸弹丸侵彻混凝土靶实验，通过高速摄影，获得了弹体冲击靶板典型破坏图像，以及着靶速度、靶体级配与侵彻深度、破坏区域的关系，验证了数值模拟模型。本课题研究方法对复合材料细观分析方法、动态破坏机理研究具有重要的学术价值。研究结果可为动能类侵彻弹药研制、侵彻破坏效应评估以及防护工程设计提供技术支持。