[发明专利]一种高速冲击载荷下PC薄板大变形韧性破坏问题仿真方法

说明书

本发明提出一种高速冲击载荷下聚碳酸酯薄板大变形韧性破坏问题仿真方法，该方法通过理论‑实验‑仿真相结合，充分借助于实验测定、理论建模和数值分析手段，通过实验方法测定了PC薄板在不同冲击条件下的变形和破坏形态，在有限变形和一致性热力学框架下建立了充分考虑大变形、热力耦合、温度与应变率敏感性的PC本构模型，借助于有限元软件中的自定义材料子程序模块开发了新型PC材料模型，开展了PC薄板高速冲击问题的有限元仿真，实现高速冲击载荷下PC薄板大变形韧性破坏行为的高效分析与精准预测。

技术领域

本发明涉及一种聚碳酸酯薄板冲击变形破坏问题仿真方法，具体是一种高速冲击载荷下聚碳酸酯薄板大变形韧性破坏问题仿真方法。

背景技术

聚碳酸酯(Polycarbonate，简称PC)是一种力学和光学性能优异的热塑性树脂，具有高比强度、高比刚度、抗冲击、阻燃、抗腐蚀、抗氧化等特性。高性能PC制品被广泛应用于战斗机风挡、高铁头灯罩、宇航员头盔面罩、防爆护盾、仪器仪表、医疗器械等方面。

PC材料力学性能具有明显的应变率、温度和静水应力敏感性，在高速冲击及热力耦合载荷作用下其变形破坏行为展现出极强的非线性特性。在PC薄板的高速冲击问题中，强冲击导致薄板发生非可逆大变形，粘塑性变形带来能量耗散，耗散能转化为热能引起薄板上局部温度升高，温度和冲击速率影响薄板力学性能，进而影响到薄板的变形与破坏形态。综上，合理分析PC薄板高速冲击问题，精确描述该问题中涉及的各种热力学现象，对于PC薄板高速冲击载荷下变形与破坏行为预测，以及高性能PC制品抗冲击设计具有重要的科学意义。

文献“Shah Q H.Impact resistance of a rectangular polycarbonate armorplate subjected to single and multiple impacts.International Journal ofImpact Engineering,2009,36(9):1128-1135.”公开了一种矩形PC防护板冲击问题分析方法。开展了水平冲击、带有入射角度的冲击、单弹道冲击、多重冲击等一系列分析，获得了PC板件厚度与弹痕尺寸之间的关系、不同冲击形式下PC板件的变形与破坏形态、多重冲击载荷下PC防护板的抗冲击设计要点等。

然而，背景文献公开的分析方法存在以下两个问题：数值分析过程中PC材料模型选用线性随动硬化弹塑性模型，而实际上PC材料模型具有明显的粘弹塑性特性，且力学性能依赖于温度、应变率与静水应力；数值分析基于传统小变形假设而未考虑强冲击载荷下PC薄板的大变形韧性破坏行为，因而难以保证数值分析结果的精确性和可靠性。

发明内容

高速冲击载荷下PC薄板的变形与破坏问题涉及到高应变率、大变形和热力耦合等关键技术问题，为了克服背景文献中分析方法精度差、可靠性低的缺点，本发明提供了一种高速冲击载荷下聚碳酸酯薄板大变形韧性破坏问题仿真方法，该方法通过理论-实验-仿真相结合，充分借助于实验测定、理论建模和数值分析手段，通过实验方法测定了PC薄板在不同冲击条件下的变形和破坏形态，在有限变形和一致性热力学框架下建立了充分考虑大变形、热力耦合、温度与应变率敏感性的PC本构模型，借助于有限元软件中的自定义材料子程序模块开发了新型PC材料模型，开展了PC薄板高速冲击问题的有限元仿真，实现高速冲击载荷下PC薄板大变形韧性破坏行为的高效分析与精准预测。

本发明的技术方案为：

所述一种高速冲击载荷下聚碳酸酯薄板大变形韧性破坏问题仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：通过PC试件设定温度和应变率范围内的单轴拉伸与压缩实验，确定温度、应变率及静水应力对PC材料力学性能的耦合影响规律；所述耦合影响规律包括非线性屈服转变、应变软化、各项同性-随动混合硬化、热力耦合；通过PC薄板的高速弹道冲击试验获取不同冲击条件下PC板件的变形与破坏形态；所述冲击条件包括PC薄板厚度，冲击速度，冲击角度；