● 摘要
材料动态本构特性研究的主要技术手段是动力学撞击试验和数值仿真，本文以聚合物的工程应用为背景，采用落锤撞击试验和数值仿真相结合的方法，研究尼龙-1010、尼龙-6及聚乙烯落锤撞击的动态本构特性。通过落锤撞击试验装置，开展了对尼龙-1010、尼龙-6以及聚乙烯三种材料的撞击试验，获得三种材料试件变形后的压缩高度和最大膨胀直径等特征量，提供了仿真计算可对比的物理实验结果。采用Johnson-Cook模型描述聚合物材料的本构特性，针对落锤撞击试验进行数值仿真计算，基于物理试验结果进行仿真模型的调试，旨在获得能够模拟聚合物试件落锤撞击动力学过程的仿真计算模型。材料本构参数对数值仿真计算精度有很大的影响，为了提高数值仿真精度，确定合适的材料本构参数，采用响应面方法对尼龙-1010以及尼龙-6的Johnson-Cook模型本构参数进行优化识别，最终使落锤撞击仿真结果和试验结果的误差在7%以内。基于上述Johnson-Cook模型及识别后的本构参数，对PELE新概念穿甲弹侵彻终点效应进行仿真计算，比较尼龙-1010、尼龙-6以及聚乙烯三种弹芯材料下弹体的膨胀破裂特性，得出了聚乙烯相对于尼龙-1010、尼龙-6材料可增强PELE横向杀伤范围。同时，采用数值仿真方法研究了三种聚合物材料的超高速撞击特性，以铝板为基准建立了等面度尼龙-1010、尼龙-6以及聚乙烯材料的多层板防护结构，并对其进行超高速撞击仿真并分析碎片云对后板的损伤。仿真结果表明采用Johnson-Cook模型及识别后的本构参数可用于PELE穿甲弹及空间碎片撞击等聚合物材料的工程应用研究。