非均质多相脆性材料的动力学特性与数值建模技术

本项目以典型的非均质多相脆性材料卵石层介质为对象，基于理论分析及静动力实验，分析卵石层材料的颗粒尺寸、界面粘结强度等因素对卵石层介质冲击动力学破坏的影响，构建卵石层介质材料的本构模型及破坏准则；利用计算机层析识别技术等确定卵石层介质的颗粒组成及分布规律，采用随机骨料投放等方法建立卵石层几何模型；研究有限元和离散元方法中卵石层介质界面几何与物理特征的数值建模技术，并对卵石层介质的数值建模技术进行验证和完善。本项目研究成果可为以卵石层介质为基层材料的机场跑道、公路等典型目标的毁伤评估提供依据，同时为更广泛的非均质多相脆性类材料在冲击载荷作用下的动力响应及数值建模技术的研究奠定基础。

卵石层介质是一种典型的非均质多相脆性材料，是机场跑道、公路等典型目标的重要组成部分。对其在冲击荷载作用下的动力特性及数值建模技术进行研究，不仅为以卵石层介质为基层材料的机场跑道、公路等典型目标的毁伤评估提供依据，而且对武器战斗部的研究、设计改进具有重要意义，同时可为非均质多相脆性类材料在冲击载荷作用下的相关研究奠定基础。本项目结合水泥胶结材料的掺量试验并考虑工程应用情况，将卵石层介质分为两类进行研究：当水泥胶结材料的掺量小于4%将其作为砂卵石土材料，水泥胶结材料的掺量大于4%时作为低标号混凝土材料。分别构建了基于卵石颗粒级配的离散元多面体颗粒模型和基于随机骨料模型的有限元数值建模技术，进行了本构模型和破坏准则的参数辨识，探索了砂卵石土材料的侵彻试验方法，得到了以下研究成果：采用基于有限元的随机骨料建模方法建立了低标号混凝土数值模型（M-WJ、M-ITZ、M-CON），针对弹体侵彻靶板问题进行本构模型K&C和HJC的比选及模型参数的辨识，认为该两种本构模型分析弹体剩余速度时计算精度相同，在分析材料的毁伤效果方面Ｋ＆Ｃ模型优于HJC模型；结合弹体侵彻混凝土靶板试验，分析了在弹体侵彻混凝土靶板过程中骨料尺度、界面特性等细观参数对靶体宏观侵彻响应的影响，认为在不考虑其他因素影响下，当侵彻速度超过一定值时（约为1000m/s），界面特性及骨料分布的不均匀性对于侵彻剩余速度的影响基本可以忽略，此时可以将其看做连续均匀介质模型进行分析。分析弹体正侵彻混凝土靶板时，将混凝土考虑为连续均匀介质与随机骨料模型，结果表明，随机骨料模型相比连续均匀模型而言可以描述出局部应力集中导致的局部破坏现象及弹体偏转现象。采用弹径比参数分析弹体侵彻响应，认为当弹径比大于2时，混凝土细观组成在正侵彻过程中基本可以忽略，且速度为不敏感因素，此时可以采用连续均匀模型进行数值计算；若弹径比小于2时，混凝土细观组成对于弹体偏转影响很大，采用随机骨料模型描述弹体偏转及弹道轨迹变化。采用离散元方法建立了砂卵石土多面体颗粒模型，提出了基于该模型的级配修正法。基于砂卵石土的直剪试验分析了其细观接触参数的敏感性，结合砂卵石土侵彻试验及低速冲击试验，采用组合约束条件很好的模拟了低速侵彻条件下砂卵石土靶板的侵彻过程，认为砂卵石土颗粒级配及密实度对其剩余速度的影响较大，弹体侵彻过程中存在扩孔挤压作用，速度越大，挤压范围越小。