混凝土是一种广泛应用于民用和国防工程的建筑材料,研究混凝土结构在强动载荷作用下的响应和破坏具有重要的理论和实际意义。本文在之前工作的基础上建立长杆弹侵彻混凝土靶的理论模型。构建混凝土热力学本构模型,并将其嵌入LS-DYNA有限元软件中,对卵形弹侵彻和贯穿混凝土靶板的问题进行数值模拟并与实验结果进行比较。本文研究内容主要包括以下几个方面:1.建立长杆弹侵彻混凝土的理论模型,基于Wen等提出的长杆弹侵彻金属靶板的统一理论,建立长杆弹侵彻半无限混凝土靶的理论模型。模型中根据弹体动态强度Yp和靶板静阻力a0的相对大小,将混凝土侵彻问题分为Yp≤a0和Yp>a0两种情况。(1)Yp≤a0:当长杆弹撞击速度V0小于界面失效速度VID时,长杆弹不能侵彻靶板,当V0大于VID时,弹体以销蚀状态侵彻靶板。(2)Yp>a0 通过两个临界速度(刚体速度VR和流体动力学速度VH)将弹体侵彻模式分为三种。建立适用于各个侵彻模式的理论公式,确定各模式之间相互转换的临界条件并考虑了销蚀碎片的二次侵彻情况。模型预测结果与实验得到的侵彻深度、侵彻模式、残余质量和时程曲线等吻合较好,验证了本文理论模型的准确性。2.建立混凝土的热力学本构模型(1)简要介绍热力学基本定律,内变量理论,Zigler正交法则。给出构建热力学本构模型的一般流程。从耗散势函数推导出了非关联流动法则,并且推导过程不需要额外定义新的函数(如塑性势函数)。借用经典屈服准则(Mises和D-P弹塑性模型)说明这个过程。(2)构造一个适用于混凝土材料的自由能函数和能量耗散函数,建立综合考虑应变硬化和软化、压力相关性、路径相关性和应变率效应的混凝土热力学本构模型。确定本构模型中所需参数,并利用单单元模型进行验证。模型预测的单轴压缩/拉伸及三轴压缩应力-应变曲线与实验数据符合较好,验证了本构的正确性。3.利用混凝土热力学本构模型模拟卵形弹侵彻/贯穿混凝土靶问题。(1)对刚性卵形弹侵彻23Mpa和39MPa混凝土靶板问题进行数值模拟和分析。数值模拟得到的侵彻深度、残余速度和加速度时程曲线与实验数据吻合较好。同时,模拟结果表明:侵彻深度随着撞击速度增加而单调增加;弹靶材料确定后,弹体的(减)加速度只与侵彻速度有关。(2)对刚性卵形弹贯穿48MPa混凝土靶板问题进行数值模拟和分析。数值模拟得到不同撞击速度下弹丸的残余速度,同时,数值模拟得到的靶板正面的冲击坑直径和靶板背面的漏斗坑直径数据与实验数据较为吻合,其大小与撞击速度相关,撞击速度越大,冲击坑越大,漏斗坑越小。