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水泥基梯度功能材料抗侵彻性能的研究

刘凯  
【摘要】:随着我国对远海固有领土主权的规范管理和海洋发展战略的制定和实施,在远海岛礁兴建综合补给基地与哨所将是远海战略的首要步骤。而现使用的传统建筑材料在海洋气候环境下,在防护抗冲击、保温隔热等性能均在一定程度上难以满足远海岛礁服役条件,严重制约我国对远海的大规模建设、管理和资源开发。本文中所研究的材料为水泥基相似材料间复合而成的梯度功能材料,集防护抗冲击与保温隔热性能于一身,该材料是为了抵抗远海岛礁恶劣的环境,满足岛礁建设要求而研发的一种新型水泥基梯度功能材料,其相关的性能急待探索研究。本文主要研究了用于岛礁建设中的防护隔热一体化梯度材料的抗侵彻性能。首先确定了梯度功能材料中各组分的合理厚度分布,并对各组分的厚度分布进行了优化;其次运用LS-DYNA有限元软件,数值模拟了弹体侵彻靶体的过程;最后根据模拟结果判断梯度功能材料抗侵彻性能的优劣。本文的主要研究内容及结论如下:(1)通过运用细观力学中的线性混合律预测了梯度功能材料过渡层的性能,并确定了过渡层的相关力学参数;梯度功能材料靶体各组分层及过渡层均采用HJC本构模型,子弹采用Johnson-Cook本构模型。通过LS-DYNA软件的模拟计算,得出预测的梯度功能材料过渡层的预测方法是有效的,验证HJC本构模型描述水泥基材料可靠。(2)确定了本文研究的材料各组分间最佳厚度比。材料沿其厚度方向共分5层,其中外层、中层、内层为不同的材料,外层与中层界面、中层与内层界面为过渡层。数值模拟计算中将过渡层中的单元按一定比例的体积含量分配,使各组分的性能满足沿同一方向连续变化的目的。然后,将各组分层设定为不同的厚度,每层材料的性能和组成随着厚度的变化而变化,从而将其作为一种计算工况,本文以梯度功能结构材料的实用目的为出发点,故设定材料的总厚度不变。通过改变各功能层的厚度,以材料的抗侵彻性能优劣为评价标准,筛选出各功能层间的最佳厚度比;取最佳厚度比的一组材料,改变中层吸能缓冲层的厚度,数值模拟弹体侵彻梯度功能材料靶体,以材料的抗侵彻性能优劣为评价标准,最终筛选出最优厚度比的梯度功能材料,完成对材料的各组分体积含量的优化。(3)利用LS-DYNA显式动力分析软件对筛选出来的已优化的最佳厚度比材料进行侵彻问题的数值模拟计算,得出并分析梯度功能结构材料的破坏形态、弹坑直径、侵彻深度、弹体速度时间曲线。通过与传统普通混凝土材料以及无粗集料超高强混凝土材料的对比分析,评价水泥基梯度功能材料抗侵彻性能的优劣,为梯度功能材料用于岛礁工程建设提供一定的理论支持,同时也为下一步的打靶实验提供参考。


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