平面正冲击压缩下平板中新的弹性应力波传播模式及数值模拟

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经典弹性应力波理论因假设应力和应变张量对称而排除了反对称应力、偶应力,和反映变形体旋转变形的反对称应变以及旋转矢量,这意味着弹性变形体中没有旋转变形及对应的偶应力。本文通过分析小变形情况下变形体的平动变形和旋转变形,并利用连续介质的动量和动量矩守恒方程、应用各向同性线弹性体的本构关系和偶应力本构关系,提出弹性介质中存在应变波,包括体积波、旋转波(偶应力波)和偏斜波(偏斜应力波)。这几种波的波动方程均用应变作为基本变量,而在经典弹性应力波理论中,波动方程用质点位移作为函数变量。旋转波和偏斜波均满足形式一致的四阶波动方程,但会引起不同的运动学行为和应力状态,四阶旋转波和偏斜波的传播速度也不再依赖于材料参数的常值。在没有旋转变形时,各向同性弹性固体中只有体积波和二阶偏斜波的传播且传播速度均为常值。在三种波动传播模式下,体积波与经典弹性应力波理论完全一致,四阶偏斜波可退化为二阶偏斜波,但后者不同于传统应力波理论中以位移作为波函数的二阶剪切波。本文从变形运动学与内力的关系和能量传播的角度分析了传统应力波理论中二阶旋转波和二阶剪切波存在的问题。  平板在平面正冲击压缩载荷作用下认为没有旋转变形,所以只有体积波和二阶偏斜波的传播。平板的加载面和自由面可以视为波传播过程中的奇异面,利用奇异面理论获得平面正冲击压缩作用下平板中波传播的界面效应;即利用加载面的质点速度和压力来获得入射波的应力应变状态;建立了入射波在自由面上的反射波的应力应变与自由面的质点速度的关系。知道平板中波动方程对应应变的边界条件和初始条件,同时将体积应变率和偏斜应变率的初始条件分别建立为-cxcKeL-cxc和BeT,采用拉普拉斯变换求解体积波和偏斜波的波动方程获得通解。该通解与波动方程的D’Alembert通解有相似的结果,但前者还能够反映应变率和材料特性对应变的影响。  用旋转约束下的三种应力波波动模式理论分析10mm厚的氧化铝陶瓷平板平面冲击压缩实验,认为自由面质点速度的二次压缩现象是由偏斜波引起的。通过该平面冲击压缩实验的实验数据估算得出平板加载面上的质点速度和压力,用经验公式计算得到体积应变和偏斜应变在边界上的初始应变率为K和B,并假设c值的量级为1e+15。用旋转约束下新的波动理论对在冲击压缩下作用氧化铝陶瓷平板中的波动过程进行数值模拟,并指出板中的两个可能发生层裂破坏危险点的位置。并基于旋转约束下的三种应力波波动模式理论及平板中波动过程的界面效应来修改平板平面正冲击压缩实验的实验原理。
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