冲击波压缩下陶瓷材料中破坏波的研究

• 作 者: 吴长河
• 机 构: 重庆大学
• 出 处: 重庆大学
• 发表日期: 2013年期
• 关键词: 冲击波压缩 陶瓷材料 破坏波原理 数值模拟

冲击压缩下脆性材料的破坏一直是冲击动力学和冲击波物理领域的关键科学问题和难题。与延性材料相比，脆性材料如陶瓷、玻璃、岩石等，具有强度高、抗高温、高硬度、密度低等特点，在高速冲击压缩下呈现独特的力学行为和破坏形式，典型的如微裂纹动态扩展和碎裂化破坏形式等。近二十年来，国内外学者陆续发现冲击压缩下玻璃、陶瓷等脆性材料中存在破坏波（Failure wave）现象，目前研究主要集中在对其基本物理力学特征的实验积累上。虽然破坏波的实验研究和理论分析已取得了一定的进展，然而受限于问题本身的复杂性以及实验技术和测试手段的精确性，至今仍没有一个统一的理论能够从本质上解释破坏波的产生的力学机理。深入研究破坏波现象对穿甲力学、武器物理效应、工程结构冲击防护等方面的基础设计与优化具有重要的指导意义和应用价值。所以本文对陶瓷等脆性材料中的破坏波现象研究做了以下方面的努力。
本文主要从冲击压缩下玻璃、陶瓷等脆性材料中破坏波产生和传播的应力条件、破坏波传播控制方程、破坏本构方程三个方面开展研究。首先回顾了与破坏波相关的研究现状，结合氧化铝陶瓷的平板正撞压缩实验结果，分析了氧化铝陶瓷在平板冲击实验中自由面出现的速度二次压缩和过冲现象，解释两者出现的原因，并采用损伤演化方程模拟了速度过冲现象。然后从材料细观结构层次上明确了冲击压缩下破坏波产生、传播的物理力学机理。明确了破坏波产生的Hugoniot应力状态，并引入了以损伤面理论表征的破坏波产生及传播条件。　　提出并尝试证明了破坏波传播是冲击压缩作用下脆性材料细观缺陷与微裂纹扩展引起的，宏观力学行为表现为扩散过程而不是波动过程。进一步建立了基于脆性材料微裂纹扩展的破坏波扩散模型，提出了以微裂纹密度为基本变量的控制破坏波传播的扩散方程，而且引入了以翼型裂纹为代表的裂纹尺寸演化模型，建立了由损伤量导出的破坏本构方程，最后数值模拟了冲击压缩下玻璃和陶瓷中破坏波的传播过程，模型较好地描述了破坏波传播过程中表现出来横向应力的特性。