摘要: 在第二次世界大战以后，由于常规武器和战略武器的迫切需要，材料和结构的动态响应研究在以美国和俄罗斯为代表的国家得到了迅猛发展。伴随着对材料动态力学性能的研究，材料在冲击载荷下的损伤演化和破坏规律的研究也随之兴起。材料的损伤破坏规律研... 展开 在第二次世界大战以后，由于常规武器和战略武器的迫切需要，材料和结构的动态响应研究在以美国和俄罗斯为代表的国家得到了迅猛发展。伴随着对材料动态力学性能的研究，材料在冲击载荷下的损伤演化和破坏规律的研究也随之兴起。材料的损伤破坏规律研究不仅在国防领域有着直接的应用价值，而且在学术界有着重要的价值。 这些问题涉及诸多交叉的前沿学科，例如材料本构理论、损伤力学、瞬态计算力学方法和冲击工程等，问题的复杂性使得研究工作远不够完善。开展这些研究必将有利于促进这些学科的发展。本文研究的范畴主要是，各类工程材料在动载荷作用下因材料内部的微细的不可逆缺陷而引起损伤演化、发展并最终导致破坏的过程。如今，人们逐渐从传统的宏观现象研究深入至细观结构的研究，本文正是基于这样的想法，采用细观理论和宏观唯象相结合的方法，提出了各种工程材料不同类型的损伤模型，揭示了材料的损伤模式与破坏形态之间的内在联系。 本文第一部分针对延性金属的拉伸损伤进行了全面而系统的研究，给出了两种新的以平均拉应力为基础的拉伸型损伤演化方程，即修正的Tuler-Butcher模型和微孔洞有核增长模型，两种模型更加细致的刻画了延性金属拉伸损伤，且更加符合现实情况，更具物理意义，通过模拟D6AC钢和45钢层裂实验，一维接触爆炸试验等一系列的数值模拟，全面而细致地证实了该损伤演化模型的实用性。并且结合试验，给出了一组新的损伤演化方程参数，讨论了材料参数和损伤演化方程参数对自由面速度时程曲线的影响。然后，本文将碎甲弹近似为一维接触爆炸模型，利用模拟平板撞击实验时获得的损伤演化方程参数，计算了一维近似下碎甲弹引起的层裂，分别考虑了炸药类别、材料参数及壳体几何构形对碎甲弹碎甲性能的影响。最后，将本章提出的新的损伤演化方程嵌入HVP（high velocity penetration）有限元代码中，进行了二维数值模拟，成功模拟了爆炸载荷下靶板的层裂。 本文第二部分提出了一种金属热塑互动过程中反映微损伤发展特性的损伤演化方程，并将之嵌入含损伤热粘塑性本构关系和高速冲击软件HVP之中，成功模拟了高强度弹侵彻钢靶时的热塑互动冲塞过程。计算结果和实验结果的良好符合说明本文所提出的损伤演化方程、含损伤热粘塑性本构关系和计算方法是合理的，为进一步更细致和更精确地刻画热塑互动损伤的发生发展和破坏过程打下了良好的基础。在壳体结构在爆炸载荷作用下的变形和破坏规律的研究中，根据延性金属材料两种不同的损伤模式，采用本文提出的两类损伤演化方程，即以拉伸应力引起的模型和以局域热塑互动变形引起的模型，并结合从内变量理论出发的含损伤本构理论，给出了材料的含损伤本构关系，利用数值计算的方法，模拟了内聚爆炸载荷下热粘塑性球壳的热塑互动破坏与层裂破坏。 本文第三部分，讨论了脆性材料动静态损伤和破坏模式，并且提出了一种与延性金属相似的脆性材料拉伸损伤模型，和一种新型压剪耦合损伤模型。通过数值模拟和实验结合的方法，模拟了钨合金侵彻AD95陶瓷靶板，给出了AD95陶瓷的JH-2参数，数值模拟的结果与实验基本一致，故所得到的参数是可信的。接着，采用新提出的脆性材料拉伸损伤模型，成功模拟了陶瓷材料层裂实验，表明本文提出的新的脆性材料拉伸损伤模型是可取的。最后，采用本章提出的脆性材料拉伸损伤和压剪耦合损伤，对混凝土材料的层裂问题和一维球爆问题进行了数值模拟研究，给出了同时存在拉伸损伤和压剪耦合损伤时混凝土材料的破坏模式。 收起