延性材料冲击响应：动态损伤与断裂、结构相变的新模型
【摘要】：固体对冲击载荷的响应有多种复杂的过程,对这些过程的研究是冲击波物理的研究前沿和热点。本文主要致力于研究材料动态损伤与层裂以及冲击结构相变,开展了以下几个方面的工作:1)提出了一个延性材料动态损伤与断裂的实用模型;2)建立了一个考虑固体剪切效应以及与塑性流动相耦合的结构相变新模型;3)探讨了利用量子分子动力学直接计算金属的Hugoniot关系,以便从理论上构建材料物态方程的问题。
在损伤与断裂的模型中,我们证明受损伤材料体的基体塑性流动和孔洞增长各自存在相分离的加载面,满足各自的正交流动法则,并对这两个问题进行了分离处理,使模型的架构具有了较强的普适性。基体塑性加载面方程通过引入一个“映像固体”导出,这个“映像固体” 的本构关系假设由Hopkinson杆实验确定;基于Curren以及白以龙等通过回收实验获得的经验规律,并借鉴封-经模型建立了损伤演化方程。该模型应用于多种金属层裂实验的模拟,理论与实验符合较好。
在冲击相变新模型的建立中,我们导出了考虑固体剪切时的两相平衡面的微分方程,以及相变过程中两相塑性流动满足的基本关系式,类似的方程在文献中我们尚未看到。结合以上两个模型,我们对铁的具有相变和层裂的复杂过程进行了数值模拟,理论与实验符合较好,再现了卸载冲击波以及“回滞效应”等现象。
最后,利用量子分子动力学计算,获得了铜的冲击(D,u)关系,λ值为1.53,与实测值1.50吻合得较好,经过“零点与有限温度效应”修正的C_0与实验值3.93km/s偏差为3.8%。这表明,使用量子分子动力学计算可以比较准确地得到材料的冲击Hugoniot关系,从而实现利用量子分子动力学通过(D,u)关系构建材料的物态方程。
作者编写了前两部分工作的计算程序,第三部分工作是利用VASP量子分子动力学程序包完成的。
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：O347.3
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