超高韧性水泥基复合材料冲击动力性能研究

Protection engineering design and construction are confronted with a serious challenge of the rapid development of high-tech weapons. Through many years efforts, my research team has successfully developed the ultra high toughness cementitious composite UHTCC with excellent deformation ability and high impact energy dissipation, which can effectively overcome the shortcoming of fast fracture and caving caused by the brittleness, poor deformation of concrete used in traditional reinforced concrete protective structures under impact load. This project intends to research the dynamic impact performance of UHTCC. Firstly, through studying UHTCC dynamic compressive strength, dynamic tensile strength, and their relationships with strain rate, the dynamic compressive and tensile mechanical constitutive model of UHTCC will be proposed. Then, research on the dynamic properties of UHTCC under high temperature condition will be carried out. An UHTCC thermal viscoelastic constitutive model under the dynamic load will be set up. It is focused on the laws of stress wave propagation and attenuation in UHTCC. Dynamic energy dissipation and energy absorption mechanisms of UHTCC will be also revealed. Finally, experimental research on penetration resistance of target plate will be performed, so that calculation equations of the penetration depth under single and multiple impacts for UHTCC will be put forward, which will provide a scientific basis for the application of UHTCC in military and civil defense engineering.

高科技武器的快速发展对防护工程的设计和建造提出了更高的要求。申请人带领课题组经过多年努力成功研发出具有优异变形能力和冲击耗能能力的超高韧性水泥基复合材料UHTCC，可有效克服因混凝土脆性大、变形能力差而引起的传统钢筋混凝土防护工程在冲击荷载下易快速碎裂和崩落的不足，为我国面临的日益严峻的国际局势所亟需的军事和民用防护工程提供可靠的安全保障。本项目拟开展UHTCC抗冲击性能的基础研究。首先研究UHTCC材料动态压缩、拉伸强度随应变率变化的规律，提出UHTCC动态压缩和拉伸力学本构模型；研究高温中和高温后UHTCC材料动态力学性能，建立动态荷载下UHTCC热粘弹性本构模型；在此基础上，对UHTCC材料中应力波的传播和衰减规律进行研究,揭示UHTCC材料动态耗能吸能机制;最后,进行靶板抗侵彻试验研究，提出UHTCC材料单次、多次抗侵彻深度计算方程，为UHTCC在军事和民防工程中的应用提供科学依据

本项目研究了UHTCC材料的动态拉压力学性能，并研究了侵彻和爆炸荷载下的材料破坏特性。研究主要包含以下几个方面的内容：.分析了高强、普通UHTCC的抗冲击压缩性能，研究了不同钢纤维掺量对UHTCC材料的动力学性能。分析和讨论了钢纤维对UHTCC动态压缩性能的增强和增韧效果，发现钢纤维的动态增韧效果较动态增强效果更为显著。还分析了UHTCC在不同初始损伤程度下的抗多次冲击能力，结果表明UHTCC材料在冲击应力小于10MPa时依然能够保持一定的完整性。.研究通过采用巴西圆盘劈裂试验分析了不同钢纤维掺量对UHTCC动态拉伸性能的影响，结果表明钢纤维的掺入可以提升UHTCC的劈裂强度和耗能能力，而对动态拉伸强度的应变率敏感性影响不大。.研究了高温环境和应变率耦合影响下UHTCC的动态压缩力学性能。结果表明UHTCC在经历200°C高温后动态抗压强度有所上升，但随着温度的进一步提升动态抗压强度和耗能能力逐步下降。采用高速摄影、SEM和XCT技术分析了高温环境下UHTCC材料的宏观和微观特性，解释了温度造成率效应变化的原因。研究了高温中UHTCC的动态压缩力学性能，发现当温度达到200°C以上时，高温中UHTCC动态压缩强度和耗能随温度的下降比例与高温后的动态试验结果较为接近。.研究了UHTCC中应力波的传播特性和材料的层裂强度，观测了UHTCC的层裂破坏过程。分析了应力波在该材料中传播的衰减规律，并计算出不同打击气压下材料的层裂强度及应变率。.提出了适用于UHTCC材料的HJC本构模型参数，对UHTCC的动态压缩力学性能进行了数值模拟研究。还对UHTCC功能梯度板接触爆炸进行了数值模拟。探讨了靶体材料、炸药量、配筋情况、能量吸收层厚度对结构抗爆性能的影响。还基于LS-DYNA软件，开发了适用于UHTCC的本构模型，并进行了爆炸与侵彻实验，对实验进行模拟分析验证了本构模型。进行了不同弹速下侵彻UHTCC板的实验研究，发现UHTCC相对于混凝土有更小的开坑开裂破坏，还提出了预测侵彻贯穿的简化计算模型。