抗战斗部侵彻爆炸作用的混凝土遮弹层设计

准确评估战斗部侵彻爆炸作用下混凝土遮弹层的损伤破坏可为防护工程设计提供重要参考。首先基于Karagozian&Case(K&C)模型框架建立了新型混凝土动态损伤本构模型,其中强度面综合考虑了静水压力、Lode角、应变率和损伤;独立描述了拉伸和压缩损伤,并考虑了拉压之间的连续过渡以及剪切变形和体积压缩对损伤的贡献。随后,开展了半无限厚混凝土靶体的105 mm口径弹体侵彻爆炸联合作用试验。进一步通过对上述试验和已有有限厚混凝土靶板的预制孔埋置装药爆炸试验进行数值仿真分析,验证了所建立的本构模型、参数取值和有限元分析方法在描述混凝土动态阻力、损伤演化和开裂行为方面的准确性。最后,确定了SDB、WDB-43/B和BLU-109/B三种典型战斗部以声速侵彻爆炸普通混凝土的临界贯穿和临界震塌厚度。结果表明：SDB、WDB-43/B和BLU-109/B战斗部侵彻爆炸作用下混凝土的临界贯穿厚度分别为1.4、3.4和3.8 m,临界震塌厚度分别为3.6、6.3和8.3 m;由于携带炸药量的差异,不同战斗部侵彻爆炸下的临界贯穿和临界震塌厚度与侵彻深度的比值非定值,相应的比值范围分别为1.4...     

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对穿甲弹准定常侵彻半无限厚靶 板的问题,提出了一个考虑应变率效应的包括带有蘑菇头的未碎弹体、弹的破碎及扩孔区、 靶的破坏和扩孔区的简化侵彻模型. 通过侵彻过程中简化模型各部分的力学守恒定律,得到 了侵彻问题的简化常微分方程组,并以分析和数值计算相结合的方法分析了弹、靶强度的应 变率效应及弹破碎应变的应变率效应对侵彻效果的影响. 数值计算结果跟实验结果对比基本 一致.     

活性粉末混凝土抗多次侵彻实验研究及数值预测

活性粉末混凝土（reactive powder concrete,RPC）具有超高的强度和优异的阻裂性能。为了研究RPC在多次冲击荷载下的损伤规律,采用25 mm口径滑膛炮对直径为600 mm、高600 mm的RPC圆柱形靶体进行了多次侵彻实验,得到了每次侵彻后靶体的破坏数据,并根据实验数据确定了Forrestal经验公式中的相关系数。基于K&C本构模型和现有RPC基本力学性能的实验数据,修正了K&C模型的强度面参数、损伤参数、状态方程参数、损伤演化模型以及应变率效应相关参数,系统地确定了RPC的K&C模型参数。采用LS-DYNA软件中的重启动功能模拟了弹体多次侵彻RPC靶体的破坏结果,模拟结果与实验结果基本一致,验证了模拟方法的有效性。对长2 200 mm、宽2 200 mm、高1 260 mm的RPC靶体抗侵彻实验进行了数值预测,得到了侵彻深度与弹速之间的关系、弹体贯穿靶体时的极限速度以及弹体侵彻过程中的峰值加速度。     

侵彻试验尺度效应和相似准则

利用球形空腔膨胀理论的响应函数对靶板在弹体撞击下的侵彻进行分析,并基于量纲理论建立了侵彻相似律的一般形式.通过对侵彻混凝土靶的已有实验数据进行分析,得到了不同缩比因子下,无量纲侵彻深度曲线随侵彻速度不同而发生偏转和偏移.考虑到材料的应变率效应和损伤演化,认为几何相似律对混凝土等脆性材料在抗侵彻时不成立,有必要引入材料应变率效应和损伤演化对几何相似律的修正.     

SIMILARITY LAWS AND SCALING OF PENETRATION TESTS

利用球形空腔膨胀理论的响应函数对靶板在弹体撞击下的侵彻进行分析，并基于量纲理论建立了侵彻相似律的一般形式.通过对侵彻混凝土靶的已有实验数据进行分析，得到了不同缩比因子下，无量纲侵彻深度曲线随侵彻速度不同而发生偏转和偏移.考虑到材料的应变率效应和损伤演化，认为几何相似律对混凝土等脆性材料在抗侵彻时不成立，有必要引入材料应变率效应和损伤演化对几何相似律的修正.     

混凝土靶侵彻过程中空腔膨胀响应分区

利用LS-DYNA有限元软件对刚性弹正侵彻混凝土靶进行数值模拟，以混凝土极限压应变和极限拉应变两阈值为依据，对侵彻过程中混凝土靶空腔膨胀响应区域进行了识别划分，得到了侵彻过程中混凝土各响应区的区域大小。另外，还讨论了弹体侵彻速度对混凝土粉碎区和破裂区的影响，以及粉碎区和破裂区边界膨胀速度分别与侵彻速度的关系。计算结果表明，随着弹体侵彻速度的增大，混凝土粉碎区和破裂区界面速度都增大，粉碎区半径增大，而破裂区半径却减小；当侵彻速度达到某一特定值时，破裂区将会消失。     

弹丸侵彻混凝土的SPH算法

给出了弹丸侵彻混凝土的数值计算,其中弹体作为刚体处理并划分成Lagrangian标准有限元网格,而混凝土划分成光滑粒子并经历大应变、高应变率和高压作用。为了描述混凝土的非线性变形及断裂特性,在计算中引入了Holmquist Johnson Cook本构模型及损伤模型。计算结果与实验结果的对比表明,利用光滑粒子流体动力学方法对混凝土材料进行大应变、高应变率的变形计算是有效的,并可避免网格重分或网格消蚀。此外,将光滑粒子流体动力学方法和有限元方法结合可以保持计算过程中材料界面的清晰。     

混凝土细观组成对弹体正侵彻过程影响的数值模拟研究

从细观组成出发,根据已有文献中的随机骨料模型,将混凝土看作是骨料、砂浆与二者之间的界面过渡区构成的三相复合材料,利用程序语言C++6.0实现了三维随机骨料模型建模。采用动力学分析软件LS-DYNA对S.J.Hanchak部分混凝土靶板穿透试验(未考虑钢筋影响)进行了数值模拟,并对比连续均匀模型分析了混凝土细观组成对弹体的剩余弹速、靶板的破坏现象及损伤分布的影响,结果表明:仅考虑弹体侵彻混凝土靶板问题中的剩余速度参数,随机骨料模型与连续均匀模型所得结果基本一致;为提高计算效率,采用连续均匀模型进行分析即可。另一方面对不同骨料粒径(10mm~20mm、20mm~30mm、30mm~40mm、40mm~50mm、50mm~60mm、60mm~70mm)、速度范围为360m/s~1058m/s下弹体正侵彻混凝土靶板进行了数值计算,研究了骨料粒径及速度对弹体偏转角、峰值加速度的影响,并将数值计算结果与连续均匀模型进行了对比。结果表明:在本次计算中,骨料粒径对弹体的偏转有较大影响,弹体剩余速度随着平均骨料粒径、弹体直径比的增大而减小;峰值加速度随着平均骨料粒径、弹体直径比的增大而增大。     

刚性弹体斜侵彻贯穿混凝土靶的姿态偏转理论模型

为描述刚性弹体斜侵彻贯穿混凝土靶的弹体姿态变化，针对已有贯穿模型存在的问题，在斜侵彻贯穿过程中考虑了弹体转动惯量对姿态偏转的影响，根据弹体贯穿靶板后的成孔特性重新假设了背靶面崩落块形状，并在弹体贯穿出靶的剪切冲塞阶段引入了弹体姿态二次偏转机制，从而建立了刚性弹体斜侵彻贯穿混凝土靶的姿态偏转理论模型，同时给出了混凝土薄靶、中厚靶和厚靶的分类方法。多种侵彻状态的理论模型计算结果均与实验测量结果吻合较好，表明本文理论模型可有效预估弹体斜侵彻贯穿混凝土靶的弹体出靶姿态。     

卵形头弹体对素混凝土高速侵彻的实验研究

利用二级轻气炮装置,选取材料为38CrMnSi的卵形头弹对素混凝土靶体进行了撞击实验。根据得到的实验数据以及实验后回收的弹体和靶体,分析了动能弹高速侵彻素混凝土时的弹靶响应特性,包括弹体质量损失规律及其机理、靶体损伤特征和侵彻深度随速度的变化规律。结果分析表明,弹体侵彻素混凝土靶体过程包括锥型弹坑阶段和隧道稳定阶段,从较低速到高速侵彻,弹体发生了CRH变小、头部半球化和锥形化的特征性现象,并伴随着不同程度的质量损失,由此引发侵彻深度在高速侵彻时较小的波动。进一步引用弹体侵彻混凝土靶响应模型进行了理论分析,发现在较低速撞击时,利用模型计算得到的值与实验结果比较吻合,而高速撞击条件下偏差则较大,需要考虑弹体头部形状变化对侵彻响应结果的影响。     

基于石膏材料的小结构重力坝损伤本构模型研究

大坝模型试验的模型材料力学性能是试验成功与否的关键影响因素。基于石膏模型材料基本力学性质和混凝土材料基本相似的实际情况,考虑石膏模型材料的孔隙率,在能量损伤理论模型的基础上,结合工程规范,建立了石膏模型材料的受拉损伤本构模型。同时,分析了模型材料应变率对材料峰值应力的影响,引入动应力提高系数,并给出了与应变率相关的模型材料受拉损伤本构模型。利用该本构模型模拟了动荷载下石膏模型重力坝的破坏过程,并与模型试验结果进行对比。结果表明：数值模拟得到的重力坝开裂破坏的位置、形式与模型试验结果较为接近。     

基于微-细观机理的混凝土疲劳损伤本构模型

该文致力于混凝土疲劳损伤发展机理的微细观解释. 以速率过程理论为基础,通过考虑裂纹断裂过程区中的水分子动力作用,在细观尺度上建立了具有物理机理的疲劳损伤能量耗散表达式. 结合细观随机断裂模型,以宏观损伤力学为框架,建立了疲劳损伤演化方程. 通过数值模拟,计算了单轴受拉时的疲劳损伤演化以及不同加载幅度下的疲劳寿命. 与相关试验结果的对比显示出该文模型能够很好地表现混凝土材料的疲劳损伤演化过程.      

THE FATIGUE CONSTITUTIVE MODEL OF CONCRETE BASED ON MICRO-MESO MECHANICS

该文致力于混凝土疲劳损伤发展机理的微细观解释. 以速率过程理论为基础,通过考虑裂纹断裂过程区中的水分子动力作用,在细观尺度上建立了具有物理机理的疲劳损伤能量耗散表达式. 结合细观随机断裂模型,以宏观损伤力学为框架,建立了疲劳损伤演化方程. 通过数值模拟,计算了单轴受拉时的疲劳损伤演化以及不同加载幅度下的疲劳寿命. 与相关试验结果的对比显示出该文模型能够很好地表现混凝土材料的疲劳损伤演化过程.     

混凝土率型内时损伤本构模型

混凝土是一种典型的率敏感材料,为了更好地描述混凝土结构在动力、冲击荷载作用下的强度和变形特征,本文结合内时理论和损伤理论建立了一种考虑混凝土率效应的内时损伤本构模型。该模型的特点:将混凝土材料的受力软化效应分解为密实状态的塑性效应和由微裂缝扩展引起的刚度退化效应。前者由内时理论来描述,这使该模型摆脱了一般弹塑性模型中屈服面的概念,从而更符合混凝土的变形特性,并且简化了非线性计算过程;后者由损伤理论来描述,根据混凝土的动力试验结果建立了增量型的损伤演变方程,从而使该模型能够较好地反映混凝土的动力特性。最后,应用本文建议的模型对一钢筋混凝土简支梁进行了非线性分析,结果表明:当结构承受快速荷载作用时,应变率对结构的受力性能影响较大,在进行结构分析时必须予以考虑。     

混凝土高温动态劈拉行为细观数值分析

为研究高温作用下混凝土的动态劈裂拉伸破坏行为，考虑了力学性能的高温退化与应变率增强效应的联合作用，结合混凝土材料内部非均质性，建立了细观尺度数值分析模型与方法。将该数值方法分为两个步骤:首先对混凝土进行热传导行为模拟，进而将输出结果作为初始条件对混凝土动态劈裂拉伸行为进行细观模拟。在模拟结果与已有试验现象良好吻合的基础上，分析了高温下混凝土动态劈裂拉伸行为及其细观破坏机制，对比了不同应变率及加热温度下混凝土的劈裂拉伸应力-应变关系，揭示了混凝土应变率效应与温度退化效应的相互影响规律。研究结果表明:(1) 高温作用后，试件损伤区域较常温下更集中；(2) 名义应变率较大时，破坏过程急促，常温下骨料发生破坏，而经历高温后骨料基本没有破坏；(3) 由于混凝土试件细观结构的非均质性，其内部应力呈枣核状不连续分布；(4) 相比于应变率效应，混凝土劈裂拉伸强度受温度退化作用的影响更显著。     

损伤演化对韧性金属碎裂过程的影响

固体在冲击拉伸载荷作用下会断裂成多个碎片，基于线性内聚力断裂假设的Mott-Grady模型能较好地预测碎裂过程所产生的平均碎片尺度的下限。然而实际上，韧性金属的损伤演化是多元化的，为此通过数值模拟方法研究了不同损伤演化规律对韧性碎裂过程的影响。利用ABAQUS/Explicit动态有限元软件数值再现了韧性金属杆（45钢）在高应变率下拉伸碎裂的过程，分析了线性和非线性损伤演化对韧性碎裂过程的影响规律。结果表明:损伤演化规律对韧性金属的碎裂过程具有显著影响，非线性指标α越大，碎裂过程产生的碎片数越少；Grady-Kipp碎裂公式仍能在一定范围内预测韧性碎裂过程中产生的碎片尺寸；当非线性指标α远大于零时，在较低冲击拉伸载荷作用下，数值模拟结果和Grady-Kipp模型预测值偏差较大，随着应变率增大，数值模拟结果与Grady-Kipp模型预测值吻合较好。     

ABAQUS混凝土损伤塑性模型中损伤因子的率相关性及实现方法

ABAQUS程序中最常用的混凝土损伤塑性（concrete damage plasticity, CDP）模型无法实现损伤因子与应变率相关。为了准确描述混凝土材料在高应变率下的损伤特性,基于CDP模型定义了新的应变率场变量,编制了VUSDFLD用户子程序,开发了能够考虑损伤因子率相关性的改进的CDP（modified CDP,MCDP）模型。MCDP模型采用能量法求解混凝土拉压损伤因子,主求解程序能够随着应变率场变量的变化而自动更新不同应变率对应的损伤参数,计算得到的混凝土单轴静态加载结果与CDP模型吻合较好。MCDP模型对高应变率下动态压缩性能的模拟结果表明:混凝土材料在不同应变率下的拉压损伤对其动态力学性能有显著影响,编制的VUSDFLD子程序和MCDP模型能够有效地解决损伤应变率相关的模拟难题,可以准确地模拟爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动态响应,为预测爆炸冲击等强动载作用下混凝土结构的响应和破坏提供了更可靠的技术途径。     

混凝土单轴受拉的非局部本构模型

混凝土受拉本构行为存在很强的局部软化现象,使得单轴受拉试验无法给出应力-应变关系,而只能给出应力-位移关系。本文根据内变量理论和等效应变假设建立了基于真实应变的混凝土单轴受力本构方程,并根据Weibull分布可以描述混凝土等脆性材料断裂过程的试验现象,建立了关于弹性应变的损伤演化规律。然后,通过假设平均应变与真实弹性应变的函数关系,在应力-平均应变的本构关系中采用平均弹性应变以描述其非局部行为,而在材料的损伤演化规律中采用真实弹性应变以描述其局部行为,由此建立了单轴受拉荷载条件下的非局部本构模型。最后,对一个单调受拉试验和一个反复受拉试验的仿真结果表明所提出的非局部本构模型可以准确地模拟试验结果。     

Static and dynamic behavior of concrete and granite in tension with damage

A series of dynamic and static tensile-splitting experiments were performed on concrete and granite specimens to investigate the effect of induced damage on their tensile strength. These experiments were performed as part of a larger effort investigating the penetration process into the two materials. The strain rate each specimen was subjected to remained constant for these experiments, while the level of induced damage was increased. Damage was induced into the specimens through repeated drop-weight impacts and quantified using a statistical technique. The dynamic splitting experiments were performed using a split Hopkinson pressure bar (SHPB), while the static splitting experiments were conducted per the ASTM standard procedures D3967 and C496. As part of the investigation, photoelastic dynamic tensile-splitting experiments were also performed to establish the validity of using static relations for the determination of dynamic tensile strength. The experiments showed that the static splitting strength was highly dependent on the orientation of the induced damage with regard to the applied loading; however the dynamic tensile strength decreased with increasing damage with no apparent dependency on the random damage orientation. Photoelastic experiments have shown that the mechanism of failure changes for the dynamically tested damaged specimens, reducing their dependence on damage orientation.