云杉各向异性力学行为实验测试与数值模拟

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高速碰撞、火烧环境是武器产品和放射性材料在日常勤务、空中运输以及装卸过程中潜在的重要危险环境，例如高空(50~80 m高度)跌落、运载工具的碰撞(30~60 m/s的速度撞击)等，这些异常撞击事故将会给包装产品施加强冲击过载，给内装产品的安全性带来威胁，造成含能构件受到损坏或放射性材料发生泄露。因此需要对该类产品的包装采取缓冲减振、阻燃隔热措施进行保护，以提高产品在勤务过程中的安全性。云杉作为比强度较高的木材，其纤维长、纹理直、质地软，压缩平台值可达60%变形，且具有碳化吸热特性，目前已成为国内外武器产品包装结构设计中的关键缓冲隔热材料。

作为一种天然的多胞各向异性复合材料，云杉细胞组织排列布局导致沿顺纹、横纹径向和弦向具有不同的力学行为、失效机制和缓冲特性；在武器产品异常力学环境中材料涉及准静态和中高速度加载，应变率范围涵盖10^-3/s~10³/s连续区间，且作用力方向具有不确定性。目前国内外文献针对木材研究主要基于顺纹、横纹径(弦)向准静态和Hopkinson动态实验，研究结果尚未涵盖包装箱缓冲木材可能面临的中应变率(10⁰/s~10²/s)和非材料轴方向(撞击方向与顺纹、横纹方向存在一定夹角)的力学行为。因此为了对产品包装结构进行合理设计和冲击响应分析，需开展云杉在宽应变率、空间多方向下大变形机制与缓冲效能研究，对产品在冲击与高温环境下安全性分析、结构设计、试验和工程分析都具有重要意义。

1  实验研究

基于木材波阻抗特性，改进Hopkinson长程加载与应变冻结技术，采用不同速率加载设备(传统和高速Instron、Hopkinson)，实现了材料在10^-3/s~3×10³/s范围内的应变率敏感性和各向异性行为实验测试，研究了材料沿顺纹、横纹径向、弦向以及径(弦)切面内与顺纹呈15°、30°、45°、60°和 75°夹角方向的力学性能，分析了径切面和弦切面内材料力学性能随加载方向的变化规律，并借鉴纤维复合材料强度理论建立了云杉不同应变率下的空间屈服面。通过实验研究获得了沿径(弦)切面不同方向(见图1)加载下云杉力学行为各向异性特性，分析了云杉屈服强度与加载方向间的关系(见图2)，并建立了载荷方向与吸能效应间的联系。通过对不同方向加载后试样破坏形式观察，获得了冲击压缩下云杉宏观破坏模式与加载方向相关性，沿顺纹方向加载时，试件中部向外膨胀，产生褶皱、纤维屈曲折断；当载荷方向与顺纹夹角逐渐增大时，材料失效模式体现为木材纤维分层滑移、撕裂(见图3)。

采用简化强度准则对中低应变率下云杉空间屈服行为进行了分析，不同应变率下云杉空间屈服面为椭圆柱曲面，屈服曲面半径长度随应变率提高而增加(见图4)。云杉沿空间不同方向具有各向异性力学特性，屈服强度受应变率和加载方向影响较大，建立了不同应变率下空间屈服面和“π”平面投影(见图5)。

2  数值分析

建立了云杉胞元代表体积元模型(见图6)，实现了对顺纹和横纹压缩下云杉大变形多尺度有限元模拟。通过数值分析结果，认识了云杉宏观力学性能各向异性行为特征，获得了木材变形失效模式和能量耗散行为的应变率相关性，并成功实现了包装模型结构正碰与斜撞冲击大变形行为的数值再现。基于云杉胞元代表体积元模型数值模拟，获得了顺纹和横纹加载下胞元结构的变形失效模式(见图7)，发现顺纹加载下载荷平台应力、变形模式与加载速率紧密相关。