混凝土材料離散單元多尺度模擬及其在侵徹問題中的應用.pdf

1、混凝土作為一種建筑材料已在國防和土木工程領域中得到了廣泛的應用，研究混凝土結構在彈體沖擊或炸藥爆炸作用下的響應和破壞問題對武器和防護結構的設計具有重要意義，因此混凝土侵徹問題一直受到眾多力學研究者廣泛的關注。本文的主要工作是在LDPM離散元的基礎上建立不同混凝土復合材料的動態(tài)計算本構模型，并將其應用于混凝土厚靶、鋼筋混凝土有限厚靶在剛性彈丸正侵徹撞擊和炸藥爆炸載荷作用下的響應問題中，成功預測了彈體的侵徹深度、出靶速度、彈體加速度以及混凝

2、土靶板的裂紋擴展和演化過程，一定程度上為武器系統(tǒng)的研制以及防護工程的設計提供了參考。本文主要包括以下幾個方面的內容:
　　在現有的一種基于離散單元發(fā)展起來的LDPM混凝土本構模型的基礎上，結合混凝土材料在不同溫度下力學響應的變化情況，開發(fā)出針對侵徹等瞬時問題的混凝土動態(tài)計算熱固耦合本構模型。根據混凝土骨料級配關系以及各成分質量比，生成細觀顆粒以及由潛在裂紋微面包裹的LDPM單元。在潛在裂紋微面上建立細觀尺度的彈性響應關系，在法向、

3、切向分別建立拉剪斷裂失效準則和考慮摩擦的壓剪耦合失效準則，模型能反映混凝土材料的基本特性如壓力相關性，應變軟化，加載路徑相關性，多孔性以及高低圍壓下的三軸響應等。針對高溫環(huán)境下單軸壓縮和三軸壓縮試驗的力學響應變化規(guī)律，本文提出了熱損傷的概念并將其與LDPM系數中彈性響應和壓剪耦合響應邊界耦合，結合一維熱傳導方程解的驗證，得到了適用于侵徹等瞬態(tài)工況的不考慮熱傳導的熱固耦合LDPM模型。為了獲得鋼纖維/鋼筋混凝土材料LDPM模型，本文通過鋼

4、纖維拉拔響應實驗揭示了混凝土內部拉拔機理。結合對圓形梁單元截面上高斯積分點進行優(yōu)化，本文建立了纖維/鋼筋-基體滑移接觸模型。在標定接觸模型參數后，對于鋼纖維在高強度混凝土內部拉拔響應進行了進一步仿真驗證。
　　基于粘聚斷裂假設建立了動態(tài)混凝土材料LDPM本構模型，將熱效應誘發(fā)的裂紋開裂速率相關的粘性力學行為用Maxwell-Boltzmann公式表示，通過細觀尺度等效應變定義，得到與壓剪耦合無關的應變率效應函數。分別通過模擬可分離

5、霍普金森桿動態(tài)實驗，帶刻槽混凝土板動態(tài)拉伸實驗以及混凝土球體撞擊剛性面實驗，驗證了LDPM動態(tài)模型能夠模擬仿真動態(tài)壓縮響應過程，能夠預測動態(tài)拉伸響應及其裂紋分布、擴展現象，并能夠較好描述不同速率碰撞工況下混凝土破碎規(guī)律。
　　對于半無限靶侵徹問題，分別對高速侵徹C40混凝土厚靶和低速侵徹23MPa強度混凝土厚靶進行了LDPM仿真分析。高強度合金鋼材料尖卵形彈體撞擊速度在833m/s-1402m/s范圍內，熱效應對于侵徹深度的影響隨

6、著彈體著靶速度增大而增大。對比一系列實驗結果，熱固耦合模擬分析的計算結果總體來說更加符合實驗值。根據靜水壓力和不同圍壓三軸壓縮響應曲線，本文標定了23MPa強度混凝土的LDPM模型參數。標定后的參數能夠準確模擬彈體侵徹過程中彈體加速度隨著時間變化的曲線，以及不同CRH對應的侵徹深度。通過彈體恒定速度正侵徹半無限靶仿真，得到了侵徹阻力與彈體速度的關系。結合Forrestal阻力公式，對靶體阻應力項分析發(fā)現其與彈體頭部形狀無關。結合Baza

7、nt尺寸效應和LDPM劈裂仿真的尺寸相關結果，修改Drucker-Prager Cap(DPC)塑性模型。根據狀態(tài)方程和考慮尺寸效應的DPC屈服準則，求解球形空腔膨脹控制方程組得到包含彈體尺寸效應的阻應力解。根據物理意義和成因機理，將阻應力方程中速度的零次項，一次項和二次項分別對應為靶體靜態(tài)阻應力項，率相關阻應力項以及慣性阻應力項。通過不可壓縮狀態(tài)方程，解析求解考慮應變率效應DPC模型的球形空腔膨脹控制方程組，獲得率相關的阻應力項。對于

8、可壓縮下狀態(tài)方程和考慮尺寸效應的歸一化微分控制方程組，采用Runge-Kutta法數值求解，并對數值結果進行擬合得到侵徹阻應力方程?？紤]彈體尺寸效應的侵徹阻應力及其分析模型能夠較準確預測7.62mm和76.2mm直徑彈體侵徹深度。LDPM模擬30mm、60mm以及80mm直徑剛性彈體以恒定速度侵徹23MPa強度混凝土厚靶，結果顯示明顯的彈徑尺寸效應規(guī)律，30mm和60mm直徑彈體對應的靶體靜態(tài)阻應力項差距約100MPa。
　　實驗

9、研究鋼纖維混凝土/裝甲鋼復合靶抗侵徹能力，結合LDPM-F模型以及HJC模型建立了彈靶侵徹仿真模型。對于本文實驗研究的尖卵形頭部彈體，以820m/s速度撞擊50mm厚高強度鋼纖維混凝土靶+30mm厚裝甲鋼靶，其防護系數約為1.6。錐形頭部彈體侵徹實驗工況中，50mm和90mm厚高強度鋼纖維混凝土靶的防護系數分別約為2.7和1.8。鋼纖維混凝土模型LDPM-F模擬復合靶侵徹過程，較準確地預測出高強度鋼纖維混凝土破壞裂紋分布與裝甲鋼背靶的侵

10、徹深度。通過改變仿真模型邊界條件，分析復合靶之間的間隙以及高強度鋼纖維混凝土靶邊界約束對于侵徹響應以及破壞模式的影響。關于鋼纖維含量及其尺寸對于高強度鋼纖維混凝土靶板貫穿響應的影響，LDPM-F模型仿真給出結果顯示鋼纖維對于侵徹阻力的影響幾乎可以忽略，但對靶板破壞形式以及裂紋分布具有明顯的作用。
　　對有限厚度鋼筋混凝土靶板在彈體貫穿、接觸爆炸載荷作用下破壞響應進行LDPM模型數值模擬。針對40MPa強度和145MPa強度鋼筋混凝

11、土靶板受到點接觸爆炸破壞，LDPM模型能夠較好描述不同炸藥量、配筋率以及靶厚等工況下爆炸產生破壞以及靶前、靶背開坑面積變化情況。本文對卵形彈貫穿48MPa、140MPa強度有限厚度鋼筋混凝土靶板進行了數值模擬，出靶速度較大的工況下模擬結果更加吻合實驗測得的彈體出靶剩余速度。實驗和仿真都顯示48MPa強度鋼筋混凝土貫穿響應中，彈著靶位置在鋼筋網眼和鋼筋交叉處不會對出靶速度產生明顯的影響。然而對于140MPa強度鋼筋混凝土的仿真卻顯示，彈著