孔洞增长层裂模型的改进及其在模拟不同加载波形层裂实验结果方面的应用

摘要： 冲击波在靶板自由面反射导致靶板材料内部产生动态拉伸层裂损伤是材料的典型损伤破坏形式之一，材料的初始微结构、冲击加载的强度和应变率、温度等因素直接影响材料内部的损伤演化过程。靶板自由面速度曲线变化间接反映材料内部损伤的演化过程，在层裂损伤物理模型研究方面，目前采用适宜的层裂损伤模型较好地模拟不同冲击加载波形下靶板自由面速度曲线的相关文献很少，主要借助实验手段探讨加载波形与自由面速度曲线变化以及层裂损伤演化过程之间的关联。对于孔洞增长层裂损伤模型，通过解析加载应变率与层裂强度以及损伤模型初始损伤参数之间的相互关系，给出了模型初始损伤参数的计算方法，有效地将损伤模型初始损伤参数与加载应变率关联在一起。该计算方法不仅可以较好地模拟方波、三角波以及泰勒波冲击加载铝材料层裂实验的自由面速度曲线，同时，计算得到的层裂强度和层裂片厚度也与实验结果符合。此外，还进一步分析了靶板内部不同位置的初始损伤、层裂强度的分布与应变率之间的关联，以及其对自由面速度曲线的影响。

关键词： 冲击加载波形；层裂损伤；自由面速度；数值分析

中图分类号： O346.1 国标学科代码： 1301545 文献标志码： A

材料内部动态拉伸层裂损伤属于准一维问题，其物理建模、实验设计相对简单，深入解析材料的层裂损伤过程有助于提高对材料动态损伤破坏机理的认识，因此，层裂损伤是固体力学领域研究的重要问题之一。迄今为止，基于唯象物理分析或半经验分析结果，Seaman 等[1]、Johnson[2]、Ikkurthi 等[3] 和Jacques 等[4] 给出了可以较好地模拟一定加载范围内层裂实验结果的层裂损伤模型。现阶段，学者们开始逐渐关注高温、高压、高应变率等极端加载条件以及材料初始微细观结构对层裂损伤过程的影响[5-6]，并不断发展和完善层裂损伤模型。尽管如此，正如前期相关学者所提到的：现有损伤模型的适用范围仍需要扩展，目前仍没有为大家所广泛接受的损伤模型[7-8]。如针对常规飞片撞击的方波加载和高压、高应变率的三角波激光加载层裂实验，需要改变损伤模型参数才能分别模拟两种实验的结果，如果采用相同的层裂损伤模型和参数，则不能有效地模拟两者的自由面速度实验曲线[9-10]。对于不同加载波形对层裂损伤的影响，目前更多的是采用实验方法进行定性分析[11-12]。为此，面向实际工程中的复杂加载工况，需要不断改进和完善层裂损伤模型。

不同加载波形的影响主要反映在加载应变率的差异和靶板内部不同位置上的应变率差异对靶板材料内部层裂损伤的影响。本文中，主要聚焦于加载波形对损伤的影响，借助本课题组对层裂损伤早期发展规律的分析以及关于层裂强度物理建模和层裂损伤模型参数确定方法的研究成果[13-16]，结合文献[17-18]关于方波、三角波和泰勒波加载的层裂实验结果，改进现有的层裂损伤模型，以期实现较好地计算模拟不同加载波形下自由面速度曲线的实验结果。