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陶瓷、玻璃、岩石和混凝土等脆性材料,具有压缩强度高、密度低等特点,广泛应用于国防建设之中。所以它们的动态本构和冲击损伤破坏规律的研究,是现阶段冲击动力学领域的重要科学问题之一。同时这一科学问题的研究对脆性材料的变形和破坏的非线性效应、体积膨胀效应和应变率效应的耦合表征提出了新的挑战。
本文首先从脆性材料的变形和破坏机理出发,首先对脆性材料的变形及破坏的特征和细观机理作了系统详细的讨论,并对脆性材料的本构模型研究作了较为系统和全面的回顾和总结,对现有的各种弹塑性模型和动态损伤本构模型进行了比较和评述,并对当前的研究热点及-势作了讨论。
在理论方面引用翼型裂纹模型,利用能量平衡原理含裂纹体的应变表达,基于Ravichandran的工作,考虑裂纹成核和复合型裂纹应力强度因子,由此定义损伤变量。对于不同应力状态下的损伤描述,分别作了详细讨论。然后从理论上研究了脆性材料单轴压缩力学行为。说明了,从细观考虑微裂纹的成核与扩展来研究脆性材料的力学行为是合理的,也说明翼型裂纹模型能真实反映材料内部裂纹演化过程。同时还提出了一种含初始损伤脆性材料的研究方法。
对于脆性材料在冲击压缩载荷下的动态力学行为,基于一维有限差分程序,以陶瓷类脆性材料为例,考虑到一维应力下和一维应变下脆性材料动态力学行为有明显差异,采用不同的本构模型进行对一维应力波和一维应变下高速冲击下平板撞击进行数值模拟。对于一维应力状态下,采用微裂纹损伤的动态本构模型进行模拟;对于一维应变下,基于陶瓷类脆性材料经验本构模型-JH-2模型,改进本构关系中的压缩损伤和拉伸损伤。结果表明该模型能够较好的表征波的传播、材料损伤的发展和层裂现象。
最后,考虑到脆性材料力学行为在宏观上的表象是压剪耦合的,基于压剪耦合的应力波特性,据文献调研,目前国内外尚未有这方面研究,本文给出了一种压剪耦合的表达方式,并对波动方程进行推导以揭示压剪耦合波特征。