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各向异性材料动态本构模型及其在脉冲X射线辐照下的二维热-力学效应研究

黄霞  
【摘要】:本文以碳酚醛纤维增强树脂基复合材料(以下也可简称为TF材料)在脉冲X射线辐照下的二维热-力学效应为研究目标,建立了正交各向异性动态弹塑性本构模型,在此基础上,利用有限元方法编写程序,对碳酚醛材料中的二维X射线热击波和汽化反冲冲量进行了数值模拟研究。 本文的主要研究成果及结论如下: 1、建立了正交各向异性动态弹塑性本构模型:①导出了弹、塑性变形条件下,容变律和畸变律耦合时平均正应力和应力偏量的表达式;②针对脉冲X射线能量沉积在材料表层造成剧烈膨胀的特点,首次将PUFF物态方程引入本构模型并对其进行修正,从而既能描述材料体积变化的非线性特征,又能计及材料的各向异性强度效应;③考虑了材料的应变强化和应变率强化效应,对正交各向异性强度准则进行了拓展及应用。 2、讨论了二维模型中客观应力率的修正问题以及正交各向异性材料主轴坐标系和系统坐标系之间的转换问题,给出了一种比较简便的方法将二者统一处理,有利于简化计算程序,提高数值模拟效率。 3、针对圆柱壳体结构,研究了不规则四边形网格中X射线能量沉积的简便算法,结果表明:中点积分法和平行四边形近似法既省时又具有高精度,能很好的取代完全积分方法计算能量沉积,并且中点积分法不受网格划分的限制,具有更好的普适性,余弦近似法虽更省时但误差较大,数值模拟中不宜采用。 4、基于本文建立的本构模型,采用有限元方法自行编写了二维动力学有限元程序TSHOCK2D,并利用有机玻璃飞片碰撞有机玻璃/碳酚醛靶板算例对该本构模型的正确性及程序的有效性进行了数值检验。 5、采用平面应变正交各向异性动态弹塑性本构模型,利用TSHOCK2D程序模拟了X射线沿碳酚醛不同主轴方向辐照碳酚醛平板时,材料内的二维热-力学响应,并与一维差分程序的数值模拟结果以及采用其他本构模型得到的数值模拟结果进行了比较。结果表明:沿碳酚醛材料不同主轴方向辐照时,材料中的热击波应力峰值、热击波传播和衰减、层裂等现象均存在差别,表现出各向异性特征;在碳酚醛平板的对称中线上,利用二维有限元程序获得的应力传播、衰减特性等与一维差分程序得到的数值模拟结果符合较好,进一步验证了TSHOCK2D程序中与X射线辐照相关的程序模块的有效性;与各向同性、各向异性理想弹塑性本构模型相比,采用率相关的各向异性动态弹塑性本构模型获得的热击波峰值较小、峰值衰减更快,这在定性上和有关实验结果是一致的,因而验证了各向异性动态本构模型的正确性。 6、利用有限元程序TSHOCK2D模拟了不同能谱X射线以不同角度辐照到碳酚醛圆柱壳体上的二维热-力学响应。采用Tecplot和Origin后处理软件对数值模拟结果进行分析处理,得到了能量沉积分布、热击波传播与衰减、汽化反冲冲量分布以及层裂等热-力学响应特征与X射线能谱的关系。 7、特别地,比较了X射线垂直辐照和非垂直辐照碳酚醛圆柱壳体时,数值模拟过程中的主要差异:垂直辐照时,热击波传播可简化为圆环截面内的二维传播问题,由于碳酚醛材料的主轴坐标系在圆环截面内,因此其应力-应变关系仅需在该截面内采用平面应变本构模型进行计算;非垂直入射时,相应截面为椭圆环,虽然热击波传播仍然可简化为截面内的二维传播问题,但是由于碳酚醛材料的主轴坐标系不在椭圆环截面内,因此应力-应变关系不能使用平面应变本构模型计算,而必须采用三维本构模型来描述。


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