混凝土材料離散單元多尺度模擬及其在侵徹問題中的應(yīng)用.pdf

1、混凝土作為一種建筑材料已在國防和土木工程領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，研究混凝土結(jié)構(gòu)在彈體沖擊或炸藥爆炸作用下的響應(yīng)和破壞問題對武器和防護結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有重要意義，因此混凝土侵徹問題一直受到眾多力學(xué)研究者廣泛的關(guān)注。本文的主要工作是在LDPM離散元的基礎(chǔ)上建立不同混凝土復(fù)合材料的動態(tài)計算本構(gòu)模型，并將其應(yīng)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(yīng)問題中，成功預(yù)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(shè)計提供了參考。本文主要包括以下幾個方面的內(nèi)容:
　　在現(xiàn)有的一種基于離散單元發(fā)展起來的LDPM混凝土本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合混凝土材料在不同溫度下力學(xué)響應(yīng)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(gòu)模型。根據(jù)混凝土骨料級配關(guān)系以及各成分質(zhì)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(yīng)關(guān)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(guān)性，應(yīng)變軟化，加載路徑相關(guān)性，多孔性以及高低圍壓下的三軸響應(yīng)等。針對高溫環(huán)境下單軸壓縮和三軸壓縮試驗的力學(xué)響應(yīng)變化規(guī)律，本文提出了熱損傷的概念并將其與LDPM系數(shù)中彈性響應(yīng)和壓剪耦合響應(yīng)邊界耦合，結(jié)合一維熱傳導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)實驗揭示了混凝土內(nèi)部拉拔機理。結(jié)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(shù)后，對于鋼纖維在高強度混凝土內(nèi)部拉拔響應(yīng)進行了進一步仿真驗證。
　　基于粘聚斷裂假設(shè)建立了動態(tài)混凝土材料LDPM本構(gòu)模型，將熱效應(yīng)誘發(fā)的裂紋開裂速率相關(guān)的粘性力學(xué)行為用Maxwell-Boltzmann公式表示，通過細觀尺度等效應(yīng)變定義，得到與壓剪耦合無關(guān)的應(yīng)變率效應(yīng)函數(shù)。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(yīng)過程，能夠預(yù)測動態(tài)拉伸響應(yīng)及其裂紋分布、擴展現(xiàn)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(nèi)，熱效應(yīng)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(jié)果，熱固耦合模擬分析的計算結(jié)果總體來說更加符合實驗值。根據(jù)靜水壓力和不同圍壓三軸壓縮響應(yīng)曲線，本文標定了23MPa強度混凝土的LDPM模型參數(shù)。標定后的參數(shù)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(yīng)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(guān)系。結(jié)合Forrestal阻力公式，對靶體阻應(yīng)力項分析發(fā)現(xiàn)其與彈體頭部形狀無關(guān)。結(jié)合Baza

7、nt尺寸效應(yīng)和LDPM劈裂仿真的尺寸相關(guān)結(jié)果，修改Drucker-Prager Cap(DPC)塑性模型。根據(jù)狀態(tài)方程和考慮尺寸效應(yīng)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(yīng)的阻應(yīng)力解。根據(jù)物理意義和成因機理，將阻應(yīng)力方程中速度的零次項，一次項和二次項分別對應(yīng)為靶體靜態(tài)阻應(yīng)力項，率相關(guān)阻應(yīng)力項以及慣性阻應(yīng)力項。通過不可壓縮狀態(tài)方程，解析求解考慮應(yīng)變率效應(yīng)DPC模型的球形空腔膨脹控制方程組，獲得率相關(guān)的阻應(yīng)力項。對于

8、可壓縮下狀態(tài)方程和考慮尺寸效應(yīng)的歸一化微分控制方程組，采用Runge-Kutta法數(shù)值求解，并對數(shù)值結(jié)果進行擬合得到侵徹阻應(yīng)力方程?？紤]彈體尺寸效應(yīng)的侵徹阻應(yīng)力及其分析模型能夠較準確預(yù)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(jié)果顯示明顯的彈徑尺寸效應(yīng)規(guī)律，30mm和60mm直徑彈體對應(yīng)的靶體靜態(tài)阻應(yīng)力項差距約100MPa。
　　實驗

9、研究鋼纖維混凝土/裝甲鋼復(fù)合靶抗侵徹能力，結(jié)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(shù)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(shù)分別約為2.7和1.8。鋼纖維混凝土模型LDPM-F模擬復(fù)合靶侵徹過程，較準確地預(yù)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(fù)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(yīng)以及破壞模式的影響。關(guān)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(yīng)的影響，LDPM-F模型仿真給出結(jié)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(yīng)進行LDPM模型數(shù)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(chǎn)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(shù)值模擬，出靶速度較大的工況下模擬結(jié)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(yīng)中，彈著靶位置在鋼筋網(wǎng)眼和鋼筋交叉處不會對出靶速度產(chǎn)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