孔洞增長(zhǎng)層裂模型的改進(jìn)及其在模擬不同加載波形層裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果方面的應(yīng)用

摘要： 沖擊波在靶板自由面反射導(dǎo)致靶板材料內(nèi)部產(chǎn)生動(dòng)態(tài)拉伸層裂損傷是材料的典型損傷破壞形式之一，材料的初始微結(jié)構(gòu)、沖擊加載的強(qiáng)度和應(yīng)變率、溫度等因素直接影響材料內(nèi)部的損傷演化過(guò)程。靶板自由面速度曲線變化間接反映材料內(nèi)部損傷的演化過(guò)程，在層裂損傷物理模型研究方面，目前采用適宜的層裂損傷模型較好地模擬不同沖擊加載波形下靶板自由面速度曲線的相關(guān)文獻(xiàn)很少，主要借助實(shí)驗(yàn)手段探討加載波形與自由面速度曲線變化以及層裂損傷演化過(guò)程之間的關(guān)聯(lián)。對(duì)于孔洞增長(zhǎng)層裂損傷模型，通過(guò)解析加載應(yīng)變率與層裂強(qiáng)度以及損傷模型初始損傷參數(shù)之間的相互關(guān)系，給出了模型初始損傷參數(shù)的計(jì)算方法，有效地將損傷模型初始損傷參數(shù)與加載應(yīng)變率關(guān)聯(lián)在一起。該計(jì)算方法不僅可以較好地模擬方波、三角波以及泰勒波沖擊加載鋁材料層裂實(shí)驗(yàn)的自由面速度曲線，同時(shí)，計(jì)算得到的層裂強(qiáng)度和層裂片厚度也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合。此外，還進(jìn)一步分析了靶板內(nèi)部不同位置的初始損傷、層裂強(qiáng)度的分布與應(yīng)變率之間的關(guān)聯(lián)，以及其對(duì)自由面速度曲線的影響。

關(guān)鍵詞： 沖擊加載波形；層裂損傷；自由面速度；數(shù)值分析

中圖分類號(hào)： O346.1 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼： 1301545 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

材料內(nèi)部動(dòng)態(tài)拉伸層裂損傷屬于準(zhǔn)一維問(wèn)題，其物理建模、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，深入解析材料的層裂損傷過(guò)程有助于提高對(duì)材料動(dòng)態(tài)損傷破壞機(jī)理的認(rèn)識(shí)，因此，層裂損傷是固體力學(xué)領(lǐng)域研究的重要問(wèn)題之一。迄今為止，基于唯象物理分析或半經(jīng)驗(yàn)分析結(jié)果，Seaman 等[1]、Johnson[2]、Ikkurthi 等[3] 和Jacques 等[4] 給出了可以較好地模擬一定加載范圍內(nèi)層裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果的層裂損傷模型。現(xiàn)階段，學(xué)者們開(kāi)始逐漸關(guān)注高溫、高壓、高應(yīng)變率等極端加載條件以及材料初始微細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)層裂損傷過(guò)程的影響[5-6]，并不斷發(fā)展和完善層裂損傷模型。盡管如此，正如前期相關(guān)學(xué)者所提到的：現(xiàn)有損傷模型的適用范圍仍需要擴(kuò)展，目前仍沒(méi)有為大家所廣泛接受的損傷模型[7-8]。如針對(duì)常規(guī)飛片撞擊的方波加載和高壓、高應(yīng)變率的三角波激光加載層裂實(shí)驗(yàn)，需要改變損傷模型參數(shù)才能分別模擬兩種實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，如果采用相同的層裂損傷模型和參數(shù)，則不能有效地模擬兩者的自由面速度實(shí)驗(yàn)曲線[9-10]。對(duì)于不同加載波形對(duì)層裂損傷的影響，目前更多的是采用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行定性分析[11-12]。為此，面向?qū)嶋H工程中的復(fù)雜加載工況，需要不斷改進(jìn)和完善層裂損傷模型。

不同加載波形的影響主要反映在加載應(yīng)變率的差異和靶板內(nèi)部不同位置上的應(yīng)變率差異對(duì)靶板材料內(nèi)部層裂損傷的影響。本文中，主要聚焦于加載波形對(duì)損傷的影響，借助本課題組對(duì)層裂損傷早期發(fā)展規(guī)律的分析以及關(guān)于層裂強(qiáng)度物理建模和層裂損傷模型參數(shù)確定方法的研究成果[13-16]，結(jié)合文獻(xiàn)[17-18]關(guān)于方波、三角波和泰勒波加載的層裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果，改進(jìn)現(xiàn)有的層裂損傷模型，以期實(shí)現(xiàn)較好地計(jì)算模擬不同加載波形下自由面速度曲線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。