碳酚醛-铝板中二维X射线热击波数值模拟

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1、第28卷第l期航天器环境工程2()llfI2JSPACE(1RAFTFNVIRoNMFNTEN(；INI!ERING4l碳酚醛．铝板中二维X射线热击波数值模拟黄霞，汤文辉，蒋邦海(国防科技大学理学院，长沙410073)摘要：文章利用平面应变正交各向异性材料率相关，陛的弹塑性本构模型和各向同性材料理想弹塑性本构模型，采用有限元方法编写程序，对x射线辐照碳酚醛一铝板时诱导的热击波进行数值模拟，讨论了热击波的传播规律。结果表明，在lkeV的x射线辐照下，x射线穿透极浅，材料表面发生气化现象，应力峰值较大；在3keV的X射线辐照下，x射线穿透较深，热击波呈现双波结

2、构，材料的层裂更明显。关键词：x射线；热击波；各向异性材料；本构模型中图分类号：0571．33文献标识码：A文章编号：1673—1379(2011)01—0041加5DOI．10．3969巧．issn．1673-1379．2011．01．0080引言近年来，复合材料在国防领域得到了越来越广泛的应用，成为航空、航天等国防工业部门的一种重要工业材料。在航空、航天等领域中，材料的应用外部环境非常复杂，包括高速碰撞、射线辐照等环境。在X射线辐照下，材料表层由外向内吸收了大量辐照能量，致使材料内存在温度、压力梯度。另外，受照射的材料由于比内能的快速增加而发生绝热膨胀

3、，当辐照量大时，迎光面的物质会发生气化，气化了的物质向外喷射，并对材料产生反冲作用。这些因素的共同作用将在材料内部形成非定常的应力波，即x射线热击波【l】。热击波传播到冲击阻抗较低的分界面或自由面时发生卸载，形成反向传播的稀疏波，它与入射热击波的稀疏段相互作用后产生拉伸应力，使得材料层裂或分层界面脱粘，造成材料的破坏。了解x射线脉冲引起的热击波在复合材料中的传播规律，对正确评估材料对热击波的防护能力，加强航天器的安全性具有重要意义。鉴于X射线辐照实验的困难性，目前对X射线热击波的研究工作主要是通过数值模拟完成的，因此建立真实的本构模型对提高数值模拟的准确性

4、具有重要作用。此前很多研究工作都是针对金属材料的，或是针对各向异性材料采用各向同性模型近似模拟，这必然会影响数值模拟结果的置信度。由此可见，对各向异性材料中的x射线诱导热击波传播规律进行研究是十分必要的。本文利用平面应变正交各向异性材料率相关性的弹塑性本构模型和各向同性材料理想弹塑性本构模型，采用有限元方法编写程序，对x射线辐照碳酚醛一铝板时诱导的热击波进行数值模拟，给出了热击波的传播规律。l平面应变正交各向异性弹塑性本构模型1．1弹性本构关系本文所用碳酚醛(以下简称为TF)材料是一种纤维增强树脂基复合材料，存在3个相互垂直的材料主轴方向(用l、2、3表示

5、)，分别为纤维经向(warp)、纤维纬向(fill)和厚度方向(thickness)。考虑到平面应变(1-2平面)条件，最，=曷3=岛=0，q，=0"23=0。在弹性变形阶段，应力一应变关系可利用Hooke定律来描述，即有cll$11+Ci2岛2c12ql+C22E22q3ql+c23e22C44q2式中CU为与材料弹性模量、泊松比和剪切模量相关的刚度矩阵系数。定义拉为正，压为负，将应力％分解为压力p收稿日期：2010．07．16；修回日期：2010．08．13基金项目：国家自然科学基金(项目编号：11072262)作者简介：黄霞(198仁)，女。博士研究

6、生，主要从事高能粒子束引起的材料和结构响应等方面的研究．E-mailhx一1984．4@163．com．121，2％％％％，____II--I__，、_________【42航天器环境工程第28卷(3个主应力的平均值的负值)和偏应力勖；同时也将应变勺分解为体应变口(皓ql+岛2)和偏应变勺4，则根据式(1)可得到：p=-詈(q。+3cl：+cl，+2c2：+2c：，)一{(cl。+c13一c2：-c23)矗。(2)力分量。1．2塑性本构关系在塑性变形时，应力状态与变形路径或历史有关，应力一应变间没有一一对应关系，但应力增量与弹性应变增量之间满足Hooke定

7、律，因此本构关系用增量形式表达。应变增量可分解为弹性应变增偏应力也可相应获得(以l方向的偏应力分量为量和塑性应变增量，即d勺=d豸+d笱，则有：例)：s，=万0(2cII+3c12一c13-2％一2c23)+三(2c1．一3c12--e13+c22+c23)《。(3)由于式(2)中的线性关系通常只在压力很低的条件下才成立，因此我'ff]BI入物态方程进行修正。鉴于X射线辐照下材料状态的复杂性，采PUFF物态方程描述【¨，结合式(2)可得到既能反映体积变化非线性又能体现材料各向异性特征的修正物态方程如下【2-3】。压缩区(p≥po)：p一印+(4一手4)俨一

8、(4一手4]矿+(poro-poroO)P一去(cII+c13-c