冲击载荷下陶瓷材料微裂纹成核与演化规律研究

This project focuses on the acoustic emission characteristics of fracture for ceramics and the relation between acoustic emission parameters and nucleation of micro-cracks. It is essential to study the fracture mechanism from nucleation and growth and coalescence of micro-cracks in ceramics. Firstly, using the quasi-static and dynamic loading experiments acoustic emission characteristics of ceramic material will be investigated and mathematical description between acoustic emission parameters and damage will be built. Secondly, by analyzing micro-mechanism of samples with different damage and measuring the physical and mechanical parameters, fracture mechanism will be explored, which will be the experimental basis for the fracture pattern of ceramic material. In addition, the nucleation criterion of micro-cracks will be studied.And by analying the influence of orientation, size, shape and numbers of micro-cracks on the evolution process, evolution model of micro-cracks will be carried out . At last, combined with dynamic damage constitutive model, structural response of ceramic under impact loading can be simulated by dynamical program. The achievement can be used to design ceramic armor and enhance the anti-penetration abilities of ceramic material.

本项目主要研究冲击载荷下陶瓷材料破坏的声发射特性，探讨材料内部微损伤的成核扩展和声发射特性参数之间的联系，给出微裂纹的成核规律和演化方程，并进一步研究陶瓷材料从微裂纹成核、扩展直至导致材料宏观破坏的失效机制。（一）通过静态和动态实验系统地研究陶瓷材料压缩破坏过程中的声发射特性，建立声发射特性参数与损伤参数之间的联系；（二）对破坏后的试件进行细观结构观察，分析脆性材料的破坏模式；对不同损伤程度的试件进行物理力学性能测试，为微裂纹扩展演化规律提供实验依据；（三）在上述研究工作基础上，建立陶瓷材料微损伤成核准则，通过讨论微裂纹方向、大小、形状等对演化过程的影响机理，并结合理论分析，给出微裂纹扩展的演化方程；（四）结合冲击动力学程序，采用本项目给出的材料动态本构模型，模拟陶瓷材料在冲击和侵彻等强动载荷下的响应问题，为陶瓷装甲的防护设计和提高其抗侵彻能力提供理论依据。

陶瓷材料是典型的脆性材料，其变形破坏过程实质上是内部裂纹萌生、扩展、汇合贯通的过程，深入了解裂纹扩展演化行为需要从局部尺度上获取损伤的物理信息。基于声发射技术对陶瓷材料损伤物理机制进行研究，项目主要研究内容如下：.(1)采用小波包能量特征值法分析陶瓷损伤破坏过程中声发射信号频率变化规律，结果表明脆性材料中尺寸越大的裂纹扩展倾向产生更低频率的声发射信号。 选取最优小波基对采集的声发射信号进行小波变换降噪处理，同时对Geiger定位算法的初值选择进行优化，有效地提高了声发射源的定位精度。采用优化后的定位方法对陶瓷巴西圆盘损伤演化过程中的裂纹源进行定位，定位结果有效地反映了材料中裂纹动态演化过程。.(2) 基于M.ohstu矩张量理论，对材料损伤破坏过程中的声发射信号进行分析，给出了一种描述脆性材料损伤破坏过程中裂纹类型、裂纹面的法线和运动方向的分析方法。利用自行编写的矩张量分析程序反演了脆性材料巴西圆盘劈裂实验和剪切实验中裂纹运动机制，矩张量分析结果与宏观破坏符合很好。.(3)采用SHPB实验装置对陶瓷圆盘进行冲击加载，通过波形整形器实现了斜波加载，获得了增韧陶瓷的动态拉伸强度与应变率的关系；基于颗粒离散元法，采用平行粘结理材料模型，模拟了不同冲击速度下陶瓷动态巴西劈裂破坏的动态过程，结果显示：试件端面接触处微裂纹成核、扩展，进而在试件内形成明显的局部损伤区，最终导致了试件的宏观劈裂破坏。.(4)基于离散元法模拟了高应变率下陶瓷圆环的动态膨胀破坏，圆环颗粒速度变化曲线显示：随着加载速度增加，外层颗粒和内层颗粒的径向平均速度曲线的跳动幅值表现出了对加载初速度大小的依赖性。此外，圆环内拉伸波加载/卸载过程是陶瓷圆环动态膨胀破坏的主要机理。