动力学响应机理探析

基于细观结构真实模型和细观结构仿真模型，可对活性毁伤材料在不同加载应变率下的动力学响应行为进行研究。不同尺度细观结构真实模型（图6.5）及仿真模型（图6.12）各4个，其中细观结构真实模型分别用1-R至4-R表示，细观结构仿真模型分别用1-S至4-S表示。对模型施加周期性边界条件，典型模型4-R和4-S在准静态压缩载荷作用下的响应过程如图6.29所示，其中图6.29（a）和图6.29（b）分别为4-R和4-S模型应力云图，图6.29（c）为4-R局部放大图，图6.29（d）为4-S模型应变云图。

通过观察材料微细观结构变形，模型左右及上下相对边界上材料变形一致、对应节点应力相等，表明周期性边界条件的施加使模型满足变形协调和应力连续条件。从材料微细观结构应力分布角度看，由于Al颗粒和PTFE基体的模量不匹配，材料内部应力分布显著不均。从图中还可以看出，加载过程中Al颗粒所承受压力显著高于周围基体，这主要是因为Al颗粒强度更高，这体现了材料体系的颗粒增强机理。由于组分体系的非均匀分布，最大应力出现在两个颗粒相互接近或颗粒突起位置。当材料被进一步压缩时，由于颗粒之间滑移，将会在材料中颗粒相互接近的位置处首先发生剪切破坏和失效，或造成颗粒突起或不规则局部剪切失效，使不规则颗粒形状趋于规则。与此同时，孔洞长轴两端出现应力集中，使孔洞被进一步压缩，应力集中也越发明显，使材料优先在应力集中处发生破坏失效，产生裂纹并向整个材料扩展。

图6.29　典型活性毁伤材料细观动力学响应

基于细观结构真实模型和仿真模型计算，获得PTFE/Al材料在准静态压缩下应力-应变曲线如图6.30所示。计算结果表明，基于细观结构真实模型与仿真模型所得应力-应变曲线均呈现良好一致性，这表明四种模型虽尺度不同，但初始真实细观显微结构选择的随机性，使其包含足够多材料的细观结构特征，具有代表性。此外，仿真计算结果与实验曲线一致性也较好，尤其是在弹性与塑性段，仿真与实验结果重合度良好。在材料屈服点附近，仿真计算结果略大于实验结果，其原因在于，重构模型中的材料缺陷均被识别于细观显微图像，而该过程实际上导致了对材料内微观缺陷及孔隙率的低估。因此，重构模型中材料缺陷较真实材料低，导致屈服强度较高。

基于PTFE/Al活性毁伤材料细观特征统计特性，可建立三维细观仿真结构有限元模型。模型尺度为50 μm×50 μm×50 μm，材料细观结构应力分布如图6.31所示。从图中可以看出，三维周期性边界条件算法保证了模型的变形协调和应力连续，与此同时，应力集中、剪切带及孔洞压合等力学现象与二维模型类似。仿真计算所得材料应力-应变曲线与实验结果的对比如图6.32所示，可以看出，仿真计算结果与实验结果的一致性较二维模型更好。(www.xing528.com)

图6.30　二维模型仿真与实验应力-应变曲线对比

图6.31　PTFE/AI材料细观结构应力分布

通过以上分析，基于细观结构模型及跨尺度力化耦合响应算法，在动力学加载条件下获得的细观结构演化、细观载荷分布及材料应力-应变关系等均为活性毁伤材料跨尺度动力学响应行为的分析提供了有力支撑。