冲击压缩下脆性材料的破坏行为与偏斜波动模式的研究

冲击压缩下脆性材料的损伤破坏是材料动力学和高压物理学的重要科学问题，动高压下冲击波的传播特别是与材料的相互作用又是其中的关键所在。本项目将提出无限弹性介质中含有偏斜波的应力波传播模式。利用运动奇异面理论以及几何、运动、动力相容性条件，建立含偏斜波动模式的冲击波传播模式。联系冲击压缩下脆性材料中的破坏波现象，以及进行不同加载强度的脆性材料平板冲击压缩实验，实验验证冲击波的传播。理论结合实验研究脆性材料的损伤破坏行为，揭示冲击强度低于Hugoniot弹性极限时破坏波产生的原因，提出计及高压和高应变率效应的动态压缩强度表征，建立有偏斜冲击波传播时破坏波发生的理论分析方法。研究在高压和高应变率条件下，脆性材料冲击压缩时的体积变形能、偏斜变形能、动能之间的演化规律及其与脆性材料损伤破坏行为之间的关系。本项目的研究也将促进地震波传播、穿甲和侵彻力学、爆炸力学、武器物理效应等学科的发展和工程应用。

脆性材料的冲击破坏机制既是一个非常重要的基础理论问题，也是众多工程应用的基础问题。本项目以修正的应力波理论为切入点，尤其是引入偏斜波动模式，试图建立复杂的冲击破坏形式与应力波形成的应力状态的相关联系。偏斜波动模式造成偏斜应力状态，而偏斜应力最容易造成材料的破坏。. 传统应力波理论完全忽视了偏斜波动模式。平板冲击实验基于一维应变假定，理论上只有一种所谓纵波；压杆实验基于一维应力假定，理论上也只能有一种纵波。即使按照传统应力波理论，固体中也存在两种波动模式，但在杆板冲击实验下都只有一种波动模式。这些理论缺失必然影响对材料动态力学性能的认识以及对复杂冲击破坏现象的解读。本项目重新考察了弹性力学的理论，提出了创新的应力波理论，开展陶瓷冲击实验以检验应力波理论，基于新的应力波理论探讨脆性材料的冲击破坏过程。. 本项目首先完善了广义弹性力学理论。弹性体变形应包括平动和旋转两种变形，提出了新的偶应力与曲率张量的本构关系，提出了应力对称度的尺寸效应，检验了结构固有频率的尺度效应，证明了对大尺度弹性体可以忽略旋转变形及其影响。. 应用广义弹性力学，提出了弹性固体中存在体积波、旋转波和偏斜波等三种应力波。对尺度较大的弹性固体，可忽略旋转变形，弹性固体中存在体积波和偏斜波两种应力波，体积波与经典体积波完全一致，偏斜波满足一个非齐次的双曲波动方程。. 平板冲击实验是研究材料动态力学行为和研究冲击破坏的典型方法。根据修正应力波理论，建立了平板冲击下体积波和偏斜波的波动理论，建立了加载面和自由面以及双层靶界面上应力波的激发、反射及透射等应力波的界面效应。提出了应力波的波形图、应力波相图，提出了实验测得的自由面速度信号是与体积波和偏斜波相关的自由面速度的合成。开展了氧化铝等几种陶瓷的平板冲击实验，测试了试件自由面速度，实验数据完全验证了体积波和偏斜波的理论预测。利用平板冲击下的应力波理论，预测的应力历程与文献中的实验数据也基本一致。. 提出了采用偏斜波来解读玻璃和陶瓷中的所谓破坏波现象，提出了利用体积拉伸波和偏斜波来解读材料层裂的分析模型。提出了脆性材料破坏是微裂纹扩散运动的思想，给出了关于裂纹密度的动态控制方程，分析了脆性材料的破坏判据和动态破坏本构关系。