钢纤维混凝土材料的抗爆抗侵彻性能研究及应力波演化

钢纤维混凝土材料的抗爆抗侵彻性能研究及应力波演化

随着国防事业的快速发展,在爆炸和侵彻领域许多新的研究课题出现了。钢纤维混凝土(SFRC)作为一种典型的防护工程材料,由于其强度和韧性都比常规混凝土更好,在抗爆炸抗侵彻等防护工程领域得到了越来越广泛的应用。

又由于在SFRC的抗爆炸抗侵彻的工程应用研究中,涉及到材料的本构关系理论、波动力学、损伤破坏力学、数值计算方法等诸多方面的问题,所以该领域的研究工作又具有重要的学术价值。本文的研究工作是在改进工艺制备出钢纤维含量高达6%的SFRC试件的基础上,系统地开展了 SFRC材料的静动态压缩和劈裂拉伸实验、接触爆炸和侵彻实验,并分析总结了钢纤维含量对其力学性能的影响规律;开展了 SFRC靶抗侵彻问题的实验和数值计算工作,优选出了材料的有关

本构参数,并分析总结了侵彻规律和抗侵彻机理;对黏弹性材料中的应力波演化问题开展了研究。

本文的研究成果和创新点主要包括:通过改进钢纤维和混凝土的掺和工艺,研制出了钢纤维含量高达6%的SFRC材料试件,并利用MTS实验系统开展了 SFRC 在准静态条件的压缩和劈裂拉伸实验,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对SFRC

材料开展了较高应变率下的冲击压缩实验,并以实验结果为基础分析了 SFRC的应变率效应及钢纤维含量对其力学性能的影响。结果表明,当钢纤维含量为6%时,劈裂强度可提高106%,抗压强度可提高61%;随着应变率的提高,强度增强因子DIF会增大,而DIF的增大幅度则随着钢纤维含量的增加而趋缓。

同时,以材料动态实验数据为基础,提出了一个新的SFRC材料的含损伤粘塑性本构模型,并通过积分出来的本构曲线对实验曲线的逐次最小二乘法逼近,优选出了模型中的材料本构参数,此方法简洁普适,模型意义清晰,且可以很好反映

SFRC材料的应变率效应和损伤软化效应等各种力学行为。对SFRC材料进行了接触爆炸实验研究,总结了其抗爆抗层裂剥落规律并进行了数值模拟。

以接触爆炸实验中破坏区范围的实验数据为依据,建立了计算破坏区范围的计算公式,并可将之应用于其他材料的爆炸破坏评估。结合钢纤维的增强作用,

以双K断裂准则为基础,阐述了钢纤维的增强机理,并将断裂问题等效简化为I

型裂纹,通过钢纤维的增强机理分析,得到了 SFRC的断裂韧性与钢纤维含量之

间的关系。

同时,以量纲分析方法为手段,通过对实验数据的分析总结,得到了震塌剥落坑体积与钢纤维含量之间的关系。开展了 SFRC靶的抗侵彻实验研究和数值计算。

首先,根据实验结果分析总结了 SFRC的抗侵彻规律,考虑侵彻过程中弹体

所受平均阻力为弹塑性变形引起的静压力、速度效应引起的动压力和钢纤维的约束力三者之和,提出了一个简单的侵深预测公式,该公式能很好地预测SFRC的侵彻深度。以现在有的混凝土/土壤复合靶板实验中的弹体减加速度时程曲线和HJC本构模型为基础,通过数值计算结果和实验结果符合最好的“数值模拟优选法”,优选出了 HJC本构模型的相关材料参数;接着对钢纤维混凝土/混凝土/土

壤不同配置的复合靶抗侵彻问题进行了系列计算和分析,证明通过优化防护层结构可增强防护层的吸能效果,从而提高其抗侵彻能力。

对异形弹侵彻有限厚靶板的问题开展了不同着角和攻角下的系列数值模拟

计算,结果表明:攻角对异型弹姿态俯仰角的影响远大于侵彻着角变化对姿态俯

仰角的影响;攻角的方向对弹的稳定性起着重要作用,而且对一定的着角,都存在着一个着角和攻角最佳组合,使得侵彻效果最好,这可为弹道控制设计提供依据

和借鉴。将材料的体积应变和应变偏量分别假设为由其瞬态的弹性应变和滞后的

粘塑性应变之和,提出了一种新的粘塑性本构模型。

作为此模型的一个特例,以一维Maxwell粘弹性材料的本构模型为基础,提出了一种双粘性的三维Maxwell体本构模型,并将之应用于靶板中一维应变应力波的传播问题。求出了其波传播的特征线和特征关系;给出了靶板中冲击波衰减的解析表达式;用特征线法对一维应变波传播的问题进行了数值计算,并得出了一些在理论上和工程应用上有启发意义的结论。