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空腔膨胀的数值模拟研究及其在侵彻力学中的应用

作　者: 冯兴民
导　师: 晏麓晖
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 防灾减灾工程及防护工程
关键词: 球形空腔膨胀数值模拟应变率绝热软化损伤效应侵彻
分类号: TU528
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文采用数值模拟方法研究了金属和混凝土材料的空腔膨胀过程,分析了材料的应变率效应、绝热软化效应以及损伤效应对空腔膨胀及侵彻计算的影响。本文主要工作和创新性成果如下:(1)建立了研究空腔膨胀过程的三维数值模型,分析了模型尺寸及网格划分对数值模拟结果的影响,确定了研究空腔膨胀过程的合理模型,并据此分析了应变率、绝热温升变化规律等问题。(2)研究了应变率和绝热软化效应对金属材料空腔膨胀过程的影响。结果表明:Warren理论解由于应变率效应部分没有考虑材料的压缩性,结果有所偏高;考虑绝热软化效应降低空腔面径向应力;应变率硬化与绝热软化有相互抵消作用,但应变率效应影响大于绝热软化效应;应变率和绝热软化效应对弹塑性界面的移动速度的影响可以忽略。(3)研究了混凝土材料单轴抗压强度、密度、应变率和损伤效应对空腔膨胀过程的影响。结果表明:空腔面径向应力与膨胀速度呈二次关系,材料强度和密度对空腔面径向应力的影响主要体现在常数项上,一次系数和二次系数均近似为常数,对比计算得到了常数项的拟合公式,适用于强度在20MPa到100MPa的混凝土侵彻计算;应变率和损伤效应对空腔面径向应力的影响在低速范围内较为明显,随着速度的增大而逐渐降低;应变率效应对空腔面径向应力的影响较小,误差最大不超过6%;损伤效应对空腔面径向应力的影响主要体现在速度小于600m/s这一范围内,误差最大可达26%。(4)分析了应变率效应、绝热软化效应和损伤效应对侵深计算的影响。综合考虑各种效应的模型预测的结果与试验结果吻合较好,无需引入摩擦系数;应变率效应、绝热软化效应和损伤效应引起的侵深相对误差与弹体的密度、大小(长度及半径)无关,仅与弹体的形状参数和侵彻速度有关;随着侵彻速度的增加,误差逐渐降低;球形弹误差最小,随着弹头变尖,误差逐渐增大。

全文目录

摘要  10-11
ABSTRACT  11-12
第一章绪论  12-19
  1.1 研究背景及课题来源  12-13
  1.2 空腔膨胀模型理论研究现状  13-18
    1.2.1 金属材料空腔膨胀理论  14-15
    1.2.2 混凝土材料空腔膨胀理论  15-16
    1.2.3 空腔膨胀过程的数值模拟研究  16-18
  1.3 本文主要工作  18-19
第二章球形空腔膨胀理论模型  19-42
  2.1 金属材料球形空腔膨胀理论  19-25
    2.1.1 空腔膨胀响应区  19
    2.1.2 塑性区材料本构模型  19-21
    2.1.3 空腔膨胀基本方程  21-23
    2.1.4 空腔膨胀模型解  23-25
  2.2 混凝土材料空腔膨胀理论  25-35
    2.2.1 空腔膨胀响应区  25-26
    2.2.2 材料基本方程  26-28
    2.2.3 不可压缩条件下的空腔膨胀理论  28-31
    2.2.4 可压缩条件下的空腔膨胀理论  31-35
  2.3 基于空腔膨胀理论的侵深计算模型  35-41
    2.3.1 径向应力表达式  35-37
    2.3.2 侵深计算公式简介  37-39
    2.3.3 卵形弹侵深计算模型  39-41
  2.4 本章小结  41-42
第三章球形空腔膨胀过程的数值模拟  42-57
  3.1 LS-DYNA 简介  42-43
  3.2 计算模型与参数  43-47
    3.2.1 有限元模型  43-44
    3.2.2 材料模型与参数选择  44
    3.2.3 热固耦合分析参数  44-45
    3.2.4 几种模型对比分析  45-47
  3.3 模拟结果分析  47-56
    3.3.1 空腔膨胀响应区  47-48
    3.3.2 空腔面应力  48-50
    3.3.3 弹塑性界面移动速度  50-52
    3.3.4 应变率  52-54
    3.3.5 温度场  54-56
  3.4 本章小结  56-57
第四章应变率与绝热效应的影响研究  57-73
  4.1 材料模型及参数  57-61
    4.1.1 本构模型  57-58
    4.1.2 模型参数  58-60
    4.1.3 参数考证  60-61
  4.2 应变率效应  61-64
    4.2.1 CHR 模型与Warren 模型对比  61-63
    4.2.2 CHR 模型与CH 模型对比  63-64
  4.3 绝热软化效应  64-67
    4.3.1 CHRT 模型与CH、CHR 模型对比  64-65
    4.3.2 m 对空腔面径向应力的影响  65-66
    4.3.3 弹塑性界面移动速度  66-67
  4.4 侵深结果分析  67-71
    4.4.1 不同模型侵深计算对比  67-69
    4.4.2 应变率效应对侵深计算的影响  69-70
    4.4.3 绝热软化效应对侵深计算的影响  70-71
  4.5 本章小结  71-73
第五章混凝土材料空腔膨胀过程的数值模拟研究  73-87
  5.1 混凝土材料本构模型及参数  73-76
    5.1.1 混凝土材料本构模型  73
    5.1.2 混凝土本构参数  73-75
    5.1.3 参数验证  75-76
  5.2 单轴抗压强度和密度  76-79
    5.2.1 空腔面径向应力  76-77
    5.2.2 侵深计算  77-79
  5.3 应变率效应  79-83
    5.3.1 空腔面径向应力  79-81
    5.3.2 侵深计算  81-83
  5.4 损伤效应  83-86
    5.4.1 空腔面径向应力  83-84
    5.4.2 侵深计算  84-86
  5.5 本章小结  86-87
第六章结论和建议  87-89
  6.1 结论  87-88
  6.2 建议  88-89
致谢  89-90
参考文献  90-96
作者在学期间取得的学术成果  96

空腔膨胀的数值模拟研究及其在侵彻力学中的应用

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