混凝土作为一种建筑材料已在国防和土木工程领域中得到了广泛的应用,研究混凝土结构在弹体冲击或炸药爆炸作用下的响应和破坏问题对武器和防护结构的设计具有重要意义,因此混凝土侵彻问题一直受到众多力学研究者广泛的关注。本文的主要工作是在LDPM离散元的基础上建立不同混凝土复合材料的动态计算本构模型,并将其应用于混凝土厚靶、钢筋混凝土有限厚靶在刚性弹丸正侵彻撞击和炸药爆炸载荷作用下的响应问题中,成功预测了弹体的侵彻深度、出靶速度、弹体加速度以及混凝土靶板的裂纹扩展和演化过程,一定程度上为武器系统的研制以及防护工程的设计提供了参考。本文主要包括以下几个方面的内容:在现有的一种基于离散单元发展起来的LDPM混凝土本构模型的基础上,结合混凝土材料在不同温度下力学响应的变化情况,开发出针对侵彻等瞬时问题的混凝土动态计算热固耦合本构模型。根据混凝土骨料级配关系以及各成分质量比,生成细观颗粒以及由潜在裂纹微面包裹的LDPM单元。在潜在裂纹微面上建立细观尺度的弹性响应关系,在法向、切向分别建立拉剪断裂失效准则和考虑摩擦的压剪耦合失效准则,模型能反映混凝土材料的基本特性如压力相关性,应变软化,加载路径相关性,多孔性以及高低围压下的三轴响应等。针对高温环境下单轴压缩和三轴压缩试验的力学响应变化规律,本文提出了热损伤的概念并将其与LDPM系数中弹性响应和压剪耦合响应边界耦合,结合一维热传导方程解的验证,得到了适用于侵彻等瞬态工况的不考虑热传导的热固耦合LDPM模型。为了获得钢纤维/钢筋混凝土材料LDPM模型,本文通过钢纤维拉拔响应实验揭示了混凝土内部拉拔机理。结合对圆形梁单元截面上高斯积分点进行优化,本文建立了纤维/钢筋-基体滑移接触模型。在标定接触模型参数后,对于钢纤维在高强度混凝土内部拉拔响应进行了进一步仿真验证。基于粘聚断裂假设建立了动态混凝土材料LDPM本构模型,将热效应诱发的裂纹开裂速率相关的粘性力学行为用Maxwell-Boltzmann公式表示,通过细观尺度等效应变定义,得到与压剪耦合无关的应变率效应函数。分别通过模拟可分离霍普金森杆动态实验,带刻槽混凝土板动态拉伸实验以及混凝土球体撞击刚性面实验,验证了 LDPM动态模型能够模拟仿真动态压缩响应过程,能够预测动态拉伸响应及其裂纹分布、扩展现象,并能够较好描述不同速率碰撞工况下混凝土破碎规律。对于半无限靶侵彻问题,分别对高速侵彻C40混凝土厚靶和低速侵彻23MPa强度混凝土厚靶进行了 LDPM仿真分析。高强度合金钢材料尖卵形弹体撞击速度在833m/s-1402m/s范围内,热效应对于侵彻深度的影响随着弹体着靶速度增大而增大。对比一系列实验结果,热固耦合模拟分析的计算结果总体来说更加符合实验值。根据静水压力和不同围压三轴压缩响应曲线,本文标定了 23MPa强度混凝土的LDPM模型参数。标定后的参数能够准确模拟弹体侵彻过程中弹体加速度随着时间变化的曲线,以及不同CRH对应的侵彻深度。通过弹体恒定速度正侵彻半无限靶仿真,得到了侵彻阻力与弹体速度的关系。结合Forrestal阻力公式,对靶体阻应力项分析发现其与弹体头部形状无关。结合Bazant尺寸效应和LDPM劈裂仿真的尺寸相关结果,修改Drucker-Prager Cap(DPC)塑性模型。根据状态方程和考虑尺寸效应的DPC屈服准则,求解球形空腔膨胀控制方程组得到包含弹体尺寸效应的阻应力解。根据物理意义和成因机理,将阻应力方程中速度的零次项,一次项和二次项分别对应为靶体静态阻应力项,率相关阻应力项以及惯性阻应力项。通过不可压缩状态方程,解析求解考虑应变率效应DPC模型的球形空腔膨胀控制方程组,获得率相关的阻应力项。对于可压缩下状态方程和考虑尺寸效应的归一化微分控制方程组,采用Runge-Kutta法数值求解,并对数值结果进行拟合得到侵彻阻应力方程。考虑弹体尺寸效应的侵彻阻应力及其分析模型能够较准确预测7.62mm和76.2mm直径弹体侵彻深度。LDPM模拟30mm、60mm以及80mm直径刚性弹体以恒定速度侵彻23MPa强度混凝土厚靶,结果显示明显的弹径尺寸效应规律,30mm和60mm直径弹体对应的靶体静态阻应力项差距约100MPa。实验研究钢纤维混凝土/装甲钢复合靶抗侵彻能力,结合LDPM-F模型以及HJC模型建立了弹靶侵彻仿真模型。对于本文实验研究的尖卵形头部弹体,以820m/s速度撞击50mm厚高强度钢纤维混凝土靶+30mm厚装甲钢靶,其防护系数约为1.6。锥形头部弹体侵彻实验工况中,50mm和90mm厚高强度钢纤维混凝土靶的防护系数分别约为2.7和1.8。钢纤维混凝土模型LDPM-F模拟复合靶侵彻过程,较准确地预测出高强度钢纤维混凝土破坏裂纹分布与装甲钢背靶的侵彻深度。通过改变仿真模型边界条件,分析复合靶之间的间隙以及高强度钢纤维混凝土靶边界约束对于侵彻响应以及破坏模式的影响。关于钢纤维含量及其尺寸对于高强度钢纤维混凝土靶板贯穿响应的影响,LDPM-F模型仿真给出结果显示钢纤维对于侵彻阻力的影响几乎可以忽略,但对靶板破坏形式以及裂纹分布具有明显的作用。对有限厚度钢筋混凝土靶板在弹体贯穿、接触爆炸载荷作用下破坏响应进行LDPM模型数值模拟。针对40MPa强度和145MPa强度钢筋混凝土靶板受到点接触爆炸破坏,LDPM模型能够较好描述不同炸药量、配筋率以及靶厚等工况下爆炸产生破坏以及靶前、靶背开坑面积变化情况。本文对卵形弹贯穿48MPa、140MPa强度有限厚度钢筋混凝土靶板进行了数值模拟,出靶速度较大的工况下模拟结果更加吻合实验测得的弹体出靶剩余速度。实验和仿真都显示48MPa强度钢筋混凝土贯穿响应中,弹着靶位置在钢筋网眼和钢筋交叉处不会对出靶速度产生明显的影响。然而对于140MPa强度钢筋混凝土的仿真却显示,弹着点与钢筋的相对位置对于出靶速度的影响较大。弹着点在钢筋网眼的情况与素混凝土靶贯穿响应对比,两者弹体速度随着侵彻行程的关系以及出靶速度几乎没有变化。钢筋混凝土靶由于钢筋的连接作用,其破坏形态显示出较多的小裂纹分布,而素混凝土靶由于抗拉抗剪能力弱,裂纹更加集中且靶体呈现整体断裂。弹体以恒定速度侵彻贯穿有限厚钢筋混凝土靶LDPM仿真结果显示,靶背作用对于冲塞段厚度的影响与弹体速度无关,但随着靶体厚度增大而增大。