强冲击载荷作用下多孔钛动态力学行为研究

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具有规则孔洞的多孔钛作为一种新兴的结构工程材料,具有高比强度、良好的可设计性和优异的能量吸收性能等优势,广泛的应用在军事和民用等各个领域,使得多孔钛材料成为当前结构材料领域最热门的研究方向之一。作为缓冲吸能材料,多孔钛材料在使用过程中不可避免地需要承受强动态冲击载荷的作用,如碰撞、爆炸、冲击等。因此,多孔钛材料在动态载荷作用下的力学性能研究具有十分重要的理论和工程应用价值。本文研究选取工业纯钛TA2作为基体材料,加工了一种具有规则分布圆柱孔洞的新型多孔钛材料,以实验为主,结合数值模拟和理论分析,研究了不同孔隙率的多孔钛材料在静动态压缩下的应力-应变关系、压缩变形机制、孔隙率和应变率效应的影响,获得了该类材料的能量吸收特性,为多孔钛材料的大规模工程应用提供理论了基础。本文的具体研究内容如下:(1)利用电子万能材料试验机和SHPB实验装置,对不同孔隙率多孔钛的准静态力学行为和动态力学行为进行了实验研究。分析比较了应变率和孔隙率对多孔钛材料应力-应变关系及屈服强度的影响,并提出了相关的经验公式;探究具有规则圆孔的多孔材料在应变率10-32×103s-1作用下的压缩变形机制;基于多孔钛静态实验结果,建立了多孔钛的动态唯象本构关系,与实验曲线进行对比,其结果吻合较好。(2)利用一级轻气炮对不同孔隙率的多孔钛在多种冲击速度作用下的高压动态力学性能进行了研究,并通过数值模拟进行辅助分析。通过实验得到了冲击波在多孔钛中传播的应力-时间曲线关系;获得了峰值压力在多孔钛试件中的衰减规律;计算得到了两种孔隙率的多孔钛Hugoniot关系,并给出相应的高压状态方程;通过Lagrange分析法结合数值模拟结果,获得了不同Lagrange位置多孔钛的动态本构曲线;利用光学显微镜获得了回收试件的剖面图像,结合剖面图像分析了多孔钛在应变率104105s-1作用下的变形机理。(3)通过有限元软件研究并分析了不同孔隙率的多孔钛在动态载荷作用下的应力-应变关系及能量吸收特性。利用代表性体积单元,构建了与实验中多孔钛试件对应的数值仿真模型,将数值仿真结果曲线与多孔钛材料动态压缩实验的应力-应变曲线进行对比,验证了数值仿真结果的有效性;计算得到了不同孔隙率的多孔钛材料在不同应变率下的应力-应变曲线,并对其吸能特性进行了分析;获得了孔隙率、应变率和孔径大小对多孔钛吸能特性的影响的规律,给出了对应的能量吸收总量图和能量吸收效率图。(4)结合基体材料的宏观力学性能以及孔洞的细观分析,提出了多孔钛的动态本构模型。基于考虑基体材料加工硬化、应变率和温度效应影响的修正KHL模型,结合多孔材料的Gurson模型,提出了多孔钛材料的动态本构模型;给出了在单轴压缩下的多孔钛动态本构关系表达式以及孔洞演化规律;建立了考虑裂纹对孔隙率演化影响的修正动态本构关系;将提出的动态本构模型曲线与实验曲线、数值模拟曲线进行对比,结果证明模型预测的曲线与实验曲线及数值模拟曲线在精度上和趋势上具有较好的一致性。
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