項目簡介:
本項目屬于爆炸力學(xué)和沖擊動力學(xué)領(lǐng)域。
結(jié)構(gòu)和材料在爆炸/沖擊載荷下的響應(yīng)涉及應(yīng)力波傳播和材料動態(tài)特性,是力學(xué)和材料學(xué)的跨學(xué)科研究前沿,在國防和民用工程上有重大應(yīng)用價值。本項目為王禮立及其團(tuán)隊逾20 年研究積累,主要內(nèi)容為:1)非線性彈塑性波波速間斷導(dǎo)致加-卸載邊界的傳播特征及卸載失效:發(fā)現(xiàn)了加-卸載邊界傳播規(guī)律及其定量確定方法。此成果被國際著名專家T.C.T. Ting評價為在一維波傳播的彈塑性邊界上應(yīng)力和速度間斷的系統(tǒng)研究中"了不起的突出結(jié)果"。2)非線性粘彈性本構(gòu)理論及應(yīng)用:提出描述高聚物動態(tài)力學(xué)行為的弱非線性粘彈性本構(gòu)模型,揭示相應(yīng)的應(yīng)力波傳播特征,并提出粘彈性Hopkinson桿實驗技術(shù)。是我國學(xué)者在粘彈性理論向非線性發(fā)展的一個貢獻(xiàn),已應(yīng)用于多種材料,被國內(nèi)外引用150 余次,D.S.Cronin等認(rèn)為"模型精確描述了材料在應(yīng)變率1E-3~1E3 /s 的力學(xué)行為";J. Field 等將Hopkinson粘彈性桿技術(shù)視為材料動態(tài)實驗技術(shù)的一個標(biāo)志性成果。3)應(yīng)力波相關(guān)動態(tài)破壞:根據(jù)微損傷聚集過程中的應(yīng)力松弛機(jī)制構(gòu)建了裂紋演化方程,建立一種基于裂紋應(yīng)變的層裂模型;建立了一個考慮裂紋成核,擴(kuò)展及相互作用的模型,推進(jìn)了不同應(yīng)變率下脆性材料碎裂的研究;提出了韌性材料發(fā)生細(xì)觀絕熱剪切帶的宏觀熱粘塑性本構(gòu)失穩(wěn)臨界準(zhǔn)則,定量揭示了剪切帶與裂紋擴(kuò)展的耦合關(guān)系,以及結(jié)構(gòu)幾何因素對絕熱剪切演化的影響。成果獲國際學(xué)者的認(rèn)可和引用。4)應(yīng)力波和材料動態(tài)特性相結(jié)合的研究用于解決鳥撞飛機(jī),船撞橋和國防工程實際問題。首創(chuàng)的船撞橋新型柔性防護(hù)裝置,明顯降低撞擊力并延長低載撞擊歷時,同時保護(hù)橋和船,被湛江海灣大橋采用,降低成本4億元以上。
所發(fā)表10篇代表論著被他引317次,其中SCI85次,EI140次;對38篇其他論文的直接引用為120次,其中SCI論文48篇,EI論文69篇。耐撞性理論已有效應(yīng)用于沖擊工程。項目獲得2006年高等學(xué)?茖W(xué)技術(shù)獎(自然科學(xué)獎)一等獎和寧波市科技進(jìn)步一等獎。
主要發(fā)現(xiàn)點:
本項目以固體中非線性應(yīng)力波傳播為主線,系統(tǒng)地研究爆炸/沖擊等動載下結(jié)構(gòu)中的波傳播和材料動態(tài)變形-破壞行為,及兩者的相互作用和耦合效應(yīng);并結(jié)合抗撞理論研究,解決沖擊工程問題。
主要研究成果如下:
1)率先從應(yīng)力波基本特性和材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系在加-卸載轉(zhuǎn)變時斜率發(fā)生間斷的奇異性出發(fā),對非線性加-卸載邊界的傳播進(jìn)行系統(tǒng)完整的分析。發(fā)現(xiàn)了加-卸載邊界傳播規(guī)律,創(chuàng)立了定量確定加-卸載邊界的方法;進(jìn)而開展"卸載失效"的研究,首次提出塑性卸載波可導(dǎo)致加載側(cè)"正面層裂"的機(jī)理。還發(fā)展了梁等結(jié)構(gòu)沖擊行為的應(yīng)力波理論研究和應(yīng)用。(爆炸波-沖擊波-應(yīng)力波;著作[1],論文[2,4,7])。
2)創(chuàng)立了弱非線性粘彈性本構(gòu)模型,成功用于大量高聚物及其復(fù)合材料沖擊力學(xué)特性的研究;揭示了弱非線性粘彈性波傳播特征,發(fā)現(xiàn)由粘彈性材料的"松弛特征時間"所決定的"有效傳播距離(時間)"概念。相應(yīng)地,首次提出新型Hopkinson 粘彈性桿動態(tài)實驗技術(shù)的粘彈性波分析方法,開拓了低波阻抗軟材料動態(tài)力學(xué)性能試驗研究技術(shù)(爆炸波-沖擊波-應(yīng)力波;著作[1],論文[3,6])。
3)對于應(yīng)力波作用下材料動態(tài)破壞的三種重要形式,即層裂、碎裂和絕熱剪切,建立了自主創(chuàng)新的模型。其中:對于反射卸載波所致的層裂,指出前人基于空穴增長的簡化延性層裂理論不能用于脆性層裂,發(fā)現(xiàn)損傷聚集過程中處于臨界碎裂體積時的松弛拉伸應(yīng)力所引起的非彈性體積應(yīng)變對脆性層裂起關(guān)鍵作用,從而創(chuàng)立了一種基于裂紋應(yīng)變的層裂模型;對于脆性碎裂的核心-碎片尺度及其分布,指出了沿用多年的Grady及Glenn-Chudnovsky公式之不足,創(chuàng)立了一個考慮裂紋成核,擴(kuò)展及相互作用的新模型,發(fā)現(xiàn)并建立了碎片平均尺度及分布對應(yīng)變率、材料參數(shù)和材料缺陷的依賴關(guān)系,并以應(yīng)力波理論加以闡明;對于絕熱剪切,改進(jìn)前人的熱塑失穩(wěn)理論,提出熱粘塑性本構(gòu)失穩(wěn)理論,創(chuàng)建絕熱剪切演化的"應(yīng)變率-應(yīng)變-溫度"三變量準(zhǔn)則,以及Ⅱ型裂紋絕熱剪切擴(kuò)展的"應(yīng)力強(qiáng)度因子-應(yīng)力強(qiáng)度率"雙變量準(zhǔn)則,并揭示材料微觀組織形態(tài)、應(yīng)力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)幾何形狀對絕熱剪切的影響,為鎢合金預(yù)扭長桿穿甲彈實現(xiàn)"自銳"建立理論指導(dǎo)(沖擊動力學(xué);論文[5,8,9])。
4)應(yīng)力波理論和材料動態(tài)特性相結(jié)合創(chuàng)造性地應(yīng)用于工程(鳥撞飛機(jī),船撞橋和國防工程等)。由應(yīng)力波和非線性粘彈性本構(gòu)理論的分析,自主創(chuàng)立以大量鋼絲繩圈為基本元件的新型船撞橋柔性耗能防護(hù)裝置,通過繩圈元件的高柔度和耗能性明顯降低撞擊力,延長"早期低撞擊力"的歷時,讓船有足夠時間轉(zhuǎn)變航向,帶走大量剩余動能,從而同時保護(hù)了橋墩和船體(沖擊動力學(xué);論文[10])。
主要完成人:
1. 王禮立
在《主要發(fā)現(xiàn)點》中的一、二、三、四項,特別在非線性應(yīng)力波傳播基本理論,加-卸載邊界傳播理論,動態(tài)粘彈性本構(gòu)關(guān)系,實驗技術(shù),絕熱剪切破壞,工程應(yīng)用等方面做出了主要的創(chuàng)造性貢獻(xiàn)。在整個項目的執(zhí)行和研究方向的把握上做出關(guān)鍵的科研領(lǐng)導(dǎo)工作。工作成果體現(xiàn)為著作[1]主體,論文[3,7,10]主體,以及論文[2]部分。本人在此項目中投入的工作量占本人科研工作量的75%。
2. 虞吉林
在《主要發(fā)現(xiàn)點》第一項"應(yīng)力波導(dǎo)致加-卸載邊界的傳播特征"上,共同做出了主要的創(chuàng)造性貢獻(xiàn)。在《主要發(fā)現(xiàn)點》第三項"材料的應(yīng)變率相關(guān)動態(tài)破壞:熱粘塑性材料絕熱剪切失穩(wěn)理論"研究專題上,共同做出了主要的創(chuàng)造性和學(xué)術(shù)領(lǐng)導(dǎo)貢獻(xiàn)。工作成果體現(xiàn)為論文[4,9]主體,以及論文[2]部分。本人在此項目中投入的工作量占本人科研工作量的50%。
3. 楊黎明
在《主要發(fā)現(xiàn)點》第二項"粘彈性本構(gòu)理論及應(yīng)用"上,在理論上一方面通過微力學(xué)和實驗研究把高聚物推廣到復(fù)合材料,另一方面把一維本構(gòu)形式推廣到三維,并對上百種粘彈性材料進(jìn)行了本構(gòu)特性研究,共同做出了主要的創(chuàng)造性貢獻(xiàn)。承擔(dān)著作[1]第12 章寫作,同時分擔(dān)項目執(zhí)行的管理工作。工作成果體現(xiàn)為論文[6]主體。本人在此項目中投入的工作量占本人科研工作量的55%。
4. 陳大年
在《主要發(fā)現(xiàn)點》第三項"應(yīng)變率相關(guān)動態(tài)破壞:基于微損傷聚集過程中應(yīng)力松弛的層裂模型研究"部分,做出了主要的創(chuàng)造性和學(xué)術(shù)領(lǐng)導(dǎo)貢獻(xiàn)。工作成果體現(xiàn)為論文[5]主體。本人在此項目中投入的工作量占本人科研工作量的50%。
5. 周風(fēng)華
在《主要發(fā)現(xiàn)點》第三項"應(yīng)變率相關(guān)動態(tài)破壞:沖擊載荷下脆性材料的碎裂過程研究"部分,做出了主要的創(chuàng)造性貢獻(xiàn)。在《主要發(fā)現(xiàn)點》第二項"粘彈性本構(gòu)理論及應(yīng)用"上,從理論和實驗相結(jié)合上把高聚物非線性粘彈性本構(gòu)理論發(fā)展到計及損傷演化,共同做出了主要的創(chuàng)造性貢獻(xiàn)。工作成果體現(xiàn)為文獻(xiàn)[8]主體。本人在此項目中投入的工作量占本人科研工作量的50%。
10篇代表性論文:
1. 王禮立:《應(yīng)力波基礎(chǔ)》國防工業(yè)出版社出版(北京)
2. "桿中弱間斷彈塑性邊界的傳播速度",科學(xué)通報,V.26, No.19, pp1213-1214
3. "Generalization of Split Hopkinson Bar technique to use viscoelastic bars", International Journal of Impact Engineering, V.15, No.5, pp669-686
4. "Further experimental investigation on the failure of clamped beams under impact loads", International Journal of Solids and Structure, V.27, No.8, pp1113-1137
5. "Crack straining-based spall model", International Journal of Impact Engineering, V.19, No.2, pp107-116
6. "A visco-hyperelastic approach to modelling the constitutive behaviour of rubber", International Journal of Impact Engineering, V.20, No.8/9, pp545-560
7. "Surface damage of polymethylmethacrylate plates by ice and nylon ball impacts", Journal of Applied Physics, V.78, No.3, pp1643-1649
8. "Dynamic crack propagation with cohesive elements: a methodology to address mesh dependency", International Journal of Numerical Methods in Engineering, V.59, No.1, pp1-24
9. "Influence of stress condition on adiabatic shear localization of tungsten heavy alloys", International Journal of Impact Engineering, V.26, No.1-10, pp843-852
10. "船撞橋的鋼絲繩柔性防撞裝置的沖擊動力學(xué)分析",《祝賀鄭哲敏先生八十華誕應(yīng)用力學(xué)報告會-應(yīng)用力學(xué)進(jìn)展論文集》,洪友士主編,科學(xué)出版社,172-185頁
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