二维正交各向异性动态本构模型及其X射线热-力学效应数值模拟研究

本项目拟对正交各向异性复合材料在脉冲X射线辐照下的二维热-力学效应进行数值模拟研究。主要内容包括：建立正交各向异性材料的二维应变动态本构模型，其中包括弹性、塑性条件下，容变律和畸变率耦合时的平均正应力和应力偏量表达式的导出、PUFF物态方程的引入及修正、正交各向异性强度准则的拓展与应用、应变率各向异性强化效应的处理等。根据文献报道的实验数据确定碳酚醛或其它有实用价值的正交各向异性复合材料的本构参数。针对各向异性圆柱壳体结构，研究X射线在二维非规则网格中能量沉积的计算方法。编写二维有限元程序，模拟并分析碳酚醛等材料构成的圆柱壳体在脉冲X射线辐照下的能量沉积、汽化反冲冲量的分布规律和热击波的传播与衰减规律，比较不同方向辐照下、汽化反冲冲量和热击波的差别。本项目建立的本构模型对于复合材料动态响应分析将有较大参考价值，所形成的数值模拟能力和研究结果将对飞行器抗辐射加固研究形成技术支撑。

本项目主要针对正交各向异性复合材料圆柱壳体在脉冲X射线辐照下的能量沉积、汽化反冲冲量和热击波传播规律进行系统的数值模拟研究。本项目的背景是航天器抗辐射加固技术研究。本项目的主要研究内容是：①建立正交各向异性材料的二维应变动态本构模型。②针对圆柱壳体结构，研究X射线在二维非规则网格中能量沉积的计算方法。③编写二维有限元程序，模拟并分析碳酚醛等材料构成的圆柱壳体在脉冲X射线辐照下二维热—力学效应。. 本项目所取得的主要成果如下：①建立了正交各向异性动态弹塑性本构模型，针对脉冲X射线能量沉积在材料表层造成剧烈膨胀的特点，首次将PUFF物态方程引入本构模型并对其进行修正，从而既能描述材料体积变化的非线性特征，又能描述材料的各向异性强度效应。②研究了二维模型中客观应力率的修正问题以及正交各向异性材料主轴坐标系和系统坐标系之间的转换，给出了一种比较简便的方法将二者统一处理，从而提高了数值模拟效率。③针对圆柱壳体结构中不规则四边形网格中X射线能量沉积的计算，提出了既省时又具有高精度的中点积分法，该方法不受网格划分的限制，具有很好的普适性。④研制了二维有限元动力学程序XSHOCK2D，利用其模拟了不同能谱X射线辐照碳酚醛圆柱壳体的二维热-力学响应，得到了能量沉积分布、热击波传播与衰减、汽化反冲冲量分布以及层裂等热—力学响应特征。.本项目成果对于各向异性材料的本构关系研究及其在脉冲辐照下的动力学响应研究具有重要学术意义，对于航天器抗辐射加固研究具有重要的技术支撑。