衝擊壓縮下脆性材料的破壞行為與偏斜波動模式的研究

《衝擊壓縮下脆性材料的破壞行為與偏斜波動模式的研究》是依託重慶大學，由劉占芳擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：衝擊壓縮下脆性材料的破壞行為與偏斜波動模式的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉占芳
• 依託單位：重慶大學

中文摘要

衝擊壓縮下脆性材料的損傷破壞是材料動力學和高壓物理學的重要科學問題，動高壓下衝擊波的傳播特別是與材料的相互作用又是其中的關鍵所在。本項目將提出無限彈性介質中含有偏斜波的應力波傳播模式。利用運動奇異面理論以及幾何、運動、動力相容性條件，建立含偏斜波動模式的衝擊波傳播模式。聯繫衝擊壓縮下脆性材料中的破壞波現象，以及進行不同載入強度的脆性材料平板衝擊壓縮實驗，實驗驗證衝擊波的傳播。理論結合實驗研究脆性材料的損傷破壞行為，揭示衝擊強度低於Hugoniot彈性極限時破壞波產生的原因，提出計及高壓和高應變率效應的動態壓縮強度表征，建立有偏斜衝擊波傳播時破壞波發生的理論分析方法。研究在高壓和高應變率條件下，脆性材料衝擊壓縮時的體積變形能、偏斜變形能、動能之間的演化規律及其與脆性材料損傷破壞行為之間的關係。本項目的研究也將促進地震波傳播、穿甲和侵徹力學、爆炸力學、武器物理效應等學科的發展和工程套用。

結題摘要

脆性材料的衝擊破壞機制既是一個非常重要的基礎理論問題，也是眾多工程套用的基礎問題。本項目以修正的應力波理論為切入點，尤其是引入偏斜波動模式，試圖建立複雜的衝擊破壞形式與應力波形成的應力狀態的相關聯繫。偏斜波動模式造成偏斜應力狀態，而偏斜應力最容易造成材料的破壞。傳統應力波理論完全忽視了偏斜波動模式。平板衝擊實驗基於一維應變假定，理論上只有一種所謂縱波；壓桿實驗基於一維應力假定，理論上也只能有一種縱波。即使按照傳統應力波理論，固體中也存在兩種波動模式，但在桿板衝擊實驗下都只有一種波動模式。這些理論缺失必然影響對材料動態力學性能的認識以及對複雜衝擊破壞現象的解讀。本項目重新考察了彈性力學的理論，提出了創新的應力波理論，開展陶瓷衝擊實驗以檢驗應力波理論，基於新的應力波理論探討脆性材料的衝擊破壞過程。本項目首先完善了廣義彈性力學理論。彈性體變形應包括平動和旋轉兩種變形，提出了新的偶應力與曲率張量的本構關係，提出了應力對稱度的尺寸效應，檢驗了結構固有頻率的尺度效應，證明了對大尺度彈性體可以忽略旋轉變形及其影響。套用廣義彈性力學，提出了彈性固體中存在體積波、旋轉波和偏斜波等三種應力波。對尺度較大的彈性固體，可忽略旋轉變形，彈性固體中存在體積波和偏斜波兩種應力波，體積波與經典體積波完全一致，偏斜波滿足一個非齊次的雙曲波動方程。平板衝擊實驗是研究材料動態力學行為和研究衝擊破壞的典型方法。根據修正應力波理論，建立了平板衝擊下體積波和偏斜波的波動理論，建立了載入面和自由面以及雙層靶界面上應力波的激發、反射及透射等應力波的界面效應。提出了應力波的波形圖、應力波相圖，提出了實驗測得的自由面速度信號是與體積波和偏斜波相關的自由面速度的合成。開展了氧化鋁等幾種陶瓷的平板衝擊實驗，測試了試件自由面速度，實驗數據完全驗證了體積波和偏斜波的理論預測。利用平板衝擊下的應力波理論，預測的應力歷程與文獻中的實驗數據也基本一致。提出了採用偏斜波來解讀玻璃和陶瓷中的所謂破壞波現象，提出了利用體積拉伸波和偏斜波來解讀材料層裂的分析模型。提出了脆性材料破壞是微裂紋擴散運動的思想，給出了關於裂紋密度的動態控制方程，分析了脆性材料的破壞判據和動態破壞本構關係。