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2023-06-18
裂纹形成机理的探究
【摘要】：图5.24混凝土介质内压力分布图5.25观测点E处压力时程曲线压碎区A点处等效应力、失效应力与损伤因子变化时程曲线如图5.26所示。图5.27裂纹区B点处等效应力、失效应力与损伤因子变化时程曲线拉伸破坏区C点处等效应力、失效应力与损伤因子变化时程曲线如图5.28所示。可以看出，压力峰值衰减至2 MPa，等效应力始终小于材料失效应力，混凝土介质只产生弹性变形而不产生损伤。
基于活性聚能战斗部对跑道目标毁伤机理，随进侵彻体的爆燃反应是造成跑道目标结构性毁伤的主要机制。该阶段与一定埋深处炸药爆炸对跑道毁伤过程具有相似性，通过研究爆炸载荷毁伤跑道目标裂纹形成机理，可为活性聚能战斗部对跑道目标毁伤机理分析提供有益参考。
仿真分析中，混凝土靶为圆柱体，尺寸为ϕ1 000×1 000 mm。上方预留侵孔，用于放置药柱，炸药类型为TNT，通过JWL方程描述，半径为9 mm，高54 mm，中心距自由面距离为100 mm，计算模型如图5.22所示。
图5.22 计算模型
在炸药内爆作用下，混凝土介质毁伤过程图5.23所示。根据主导因素的不同，混凝土介质毁伤过程可分为两个阶段：第一阶段为应力波主导作用阶段，主要导致压碎区、裂纹区、拉伸破坏区与弹性区的形成；第二阶段为爆轰产物膨胀主导作用阶段，在该阶段爆轰产物急剧膨胀，前一阶段产生的初始裂纹进一步扩展，压碎区中介质在爆轰产物高温高压作用下向外抛出形成弹坑。
图5.23 混凝土介质毁伤过程
混凝土介质内压力分布如图5.24所示，观测点E处压力时程曲线如图5.25所示。炸药内爆作用在混凝土介质内产生10 GPa以上初始超压，并以冲击波形式在混凝土介质中传播。至观测点E时，冲击波压力衰减至3.1 MPa左右。由于混凝土介质压缩膨胀，E点受稀疏波作用，压力峰值进一步衰减至-2.2 MPa左右。冲击波不断传播与衰减，导致混凝土介质内最终形成压碎区、拉伸破坏区、裂纹区与弹性区，分别如图5.23中A、B、C、D点所示。
图5.24 混凝土介质内压力分布
图5.25 观测点E处压力时程曲线
压碎区A点处等效应力、失效应力与损伤因子变化时程曲线如图5.26所示。从图中可以看出，冲击波在t=21 μs时刻到达A点，在t=21～32 μs内，A点等效应力始终小于材料失效应力，混凝土介质处于弹性状态；t=32 μs时，混凝土介质发生屈服并迅速到达失效应力状态，损伤开始累积；在t=52 μs前后，等效应力达到峰值，损伤因子显著提高，由于损伤软化效应，失效强度随着损伤的增大而降低，到达材料失效面后，加载时等效应力曲线与失效应力曲线重合，卸载时等效应力曲线位于失效应力曲线下方；t=91 μs时，混凝土介质完全破坏，由于正压力与摩擦力的存在，材料仍具有一定的抗剪切破坏能力。
图5.26 压碎区A点处等效应力、失效应力与损伤因子变化时程曲线
裂纹区B点处等效应力、失效应力与损伤因子变化时程曲线如图5.27所示。从图中可以看出，在正压作用阶段（60～107 μs），等效应力始终小于失效应力，材料未发生破坏，处于弹性状态；t=140 μs时，B点压力值为-3.01 MPa，小于混凝土拉伸失效压力-3.0 MPa，随着损伤不断累积，材料开始失效；t=161～234 μs时，混凝土介质内压力大于最小失效压力，损伤保持为常数；t=236～256 μs时，B点压力值小于混凝土的拉伸失效压力，损伤继续累积，直至t=256 μs时混凝土介质完全失效，B点只存在正压或零压力。
图5.27 裂纹区B点处等效应力、失效应力与损伤因子变化时程曲线
拉伸破坏区C点处等效应力、失效应力与损伤因子变化时程曲线如图5.28所示。从图中可以看出，C点首先受初始压缩波作用，在自由面反射后，形成拉伸波。t=58 μs时，C点处开始产生损伤累积，压力为4.5 MPa，等效应力到达失效面C点介质发生剪切破坏；t=63 μs时，C点处压力小于材料拉伸失效应力，损伤继续累积；t=66 μs时损伤值为1，材料完全破坏。
图5.28 拉伸破坏区C点处等效应力、失效应力与损伤因子变化时程曲线
离爆炸中心较远的D点处，弹性区等效应力、失效应力与损伤因子变化时程曲线如图5.29所示。可以看出，压力峰值衰减至2 MPa，等效应力始终小于材料失效应力，混凝土介质只产生弹性变形而不产生损伤。爆炸产生高温高压气体剧烈膨胀，靠近自由边界处的压碎区与层裂区材料由于无法承受拉力而被抛出。同时，靠近自由面处裂纹在纵向剪力作用下快速扩展，当裂纹贯穿至自由边界时其包络的介质被抛出，形成最终的漏斗坑。需特别说明的是，炸药埋深太大时，裂纹无法扩展至自由面，则材料不能被抛出，无法形成漏斗坑。
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