平板沖擊加載下陶瓷材料的破壞力學行為研究.pdf

1、與延性材料相比，陶瓷材料因其高強度、高硬度、抗高溫以及低密度等優(yōu)良的物理力學性能已成為一種常用的輕質裝甲防護材料，廣泛地應用于國防建設和軍事科學領域。脆性陶瓷材料在強動載下的力學響應和破壞行為與其抗沖擊性能密切相關，一直是沖擊動力學界的一個重要研究領域。目前，對陶瓷材料沖擊壓縮破壞行為的研究多集中在實驗工作和唯象認識，尚缺乏統一的理論模型對其破壞機理和演化過程的物理本質進行描述。因此，深入研究陶瓷材料的沖擊壓縮破壞行為可為陶瓷防護裝甲設

2、計和優(yōu)化提供理論基礎，具有重要的學術意義和應用價值。
　　論文在充分調研陶瓷材料在強動載作用下力學響應和破壞行為分析等諸多關鍵問題研究現狀基礎上，以A95氧化鋁陶瓷為主要研究對象，采用實驗研究、理論分析和數值模擬相結合的手段系統地研究了陶瓷等脆性材料在沖擊壓縮下的波動過程以及破壞力學行為，對陶瓷材料的沖擊壓縮破壞機理以及演化形式進行了詳細的論述和分析。本論文的主要的研究內容與結論如下：
　　1.對陶瓷類脆性材料在沖擊加載下的

3、破壞形式、動態(tài)損傷模型以及實驗技術和測試手段等研究成果進行了回顧。著重考察了玻璃、陶瓷中以破壞波形式為代表的沖擊壓縮破壞現象的研究現狀，對破壞波的物理力學特性以及形成和傳播的物理機制等進行了綜述。
　　2.設計完成了氧化鋁陶瓷雙點樣品平板沖擊壓縮實驗，利用VISAR測試系統測量了不同厚度的氧化鋁陶瓷試件的自由面速度歷程，并對沖擊回收試件進行了金相分析。結合實驗結果對氧化鋁陶瓷的非彈性響應及破壞特性進行了分析，得出在本實驗沖擊壓力下

4、試件發(fā)生了強烈的破碎現象，其破壞模式主要由微裂紋的成核、擴展過程主導，并未發(fā)生明顯的塑性變形。
　　3.在回顧Hugoniot彈性極限初始定義的基礎上，聯系陶瓷材料的破壞特性，采用Mohr-Coulomb破壞準則建立了陶瓷材料的Hugoniot彈性極限與剪切強度的關系表達式；結合已有的實驗結果探討了沖擊強度、應變率以及材料細觀結構對Hugoniot彈性極限演化規(guī)律的影響。
　　4.研究了無限彈性介質中含偏斜波動模式的應力波理

5、論，對體積波、偏斜波和旋轉波的波動方程性質、運動學行為特性以及對應的應力狀態(tài)進行了分析。將該應力波理論應用到平板沖擊壓縮狀態(tài)，得到該狀態(tài)下材料內存在體積波和偏斜波兩種波動模式，利用間斷面理論研究了體積波和偏斜波的傳播過程及界面效應。
　　5.基于修正的應力波理論，并聯系陶瓷材料細觀非均勻性結構特征，給出破壞波形成的物理機制：1）材料內部要具有一定的細觀非均勻性，即包含原生的微裂紋、微孔隙等缺陷；2）沖擊壓縮加載下，材料內須產生足夠

6、的偏斜變形能或剪切變形能，即偏斜波的強度要超過材料的破壞閾值。結合破壞陣面?zhèn)鞑サ募氂^物理機制，探討了破壞波傳播過程中的能量轉化機理，指出破壞波過后材料中的偏斜變形能逐漸轉化為體積變形能。
　　6.根據跨越破壞陣面控制材料力學行為的偏微分方程類型轉變分析以及聯系破壞波的傳播特征，認為破壞波的傳播過程應為一個擴散過程，而非傳統的波動過程。建立了以表征材料損傷及破壞的微裂紋濃度為傳播特征的擴散控制方程及相應的動態(tài)本構模型，進一步數值模擬