本文是一篇土木工程论文，本文对 Q355B 钢考虑屈服阶段的动态本构模型和 Lode 相关 ASCE 断裂准则开展了系列研究，得到如下结论： 1. MxJ-C 本构模型不能很好的表征 Q355B 钢的屈服阶段塑性力学行为，而考虑屈服阶段的 MxJ-C-Q 本构模型能合理地表征屈服阶段的塑性力学行为。 2. Q355B 钢的断裂应变与应力三轴度和 Lode 参数相关。MJC 断裂准则可以预报断裂应变随应力三轴度的变化，不能预报随 Lode 参数的变化，特别是在低应力状态下，材料断裂应变远低于拉伸试验的结果。Lode 相关 ASCE 准则可很好地预报Q355B钢的断裂应变，与试验结果相一致。结果表明：Lode参数对Q355B钢的断裂行为预报有积极影响。
第 1 章 绪论
1.1研究目的和意义
近年来，随着人们生活质量的提高，建筑的美观性及使用功能等诸多方面的发展也有了质的改变。飞机航站楼、影剧院、体育馆、展览中心等建筑结构也逐年增加，新加坡国家体育馆、国家大剧院、如“凤凰展翅”北京大兴国际机场及“冰城”机场新航站楼等，如图 1-1。每一座代表着城市格局和视野的地标性建筑，不仅满足了人们更高层次的需求，还具有重要的政治、文化和经济价值。
图1-1 地标性建筑物
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1.2国内外研究现状
1.2.1 金属材料本构模型的研究现状
目前，在高速冲击领域，常规的本构模型很难描述非常复杂的冲击问题。众多学者基于不同材料的材性试验，结合数值仿真的方法研究金属材料在复杂应力下材料力学行为，总结出适用不同工况的材料本构关系。
自 20 世纪初，很多研究学者就金属材料的流动行为建立了一些经验/半经验模型，没有考虑到应变率和温度的影响。随后，很多研究学者对其进行了考虑，提出了适用不同领域的本构模型，如 Johnson-Cook（下文简称 J-C）[3]模型和Zerilli-Armstrong（Z-A）[4]模型，还有 Lin-Wagoner(L-W)[5]模型及 Khan-Liang（K-L）[6]模型等。其中 Z-A 模型具有物理基础，在工程中也获得广泛应用，但建立的初始假设，在一定程度上限定了其适用范围，降低了预测精度。随后张宏建[7]在 Z-A模型的基础上进行了修正，并应用于 IC10 合金，发现相对误差降低了 2.76%，提高了其塑性流变行为的预测精度。
基于以上文献分析，国内外研究学者对 J-C 模型的研究已经成熟，但是对于在拉伸过程中呈现出屈服平台的钢本构却未见研究，尤其是 Q355B 钢这类的建筑常用钢，目前修正的 J-C 模型很难合理的描述材料在屈服阶段和颈缩阶段后塑性应变与流动应力的关系。因此，进一步研究 Q355B 钢考虑屈服阶段的本构模型是有价值的，也为其它有明显屈服阶段的金属材料性能研究提供研究思路。
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第 2 章 Q355B 钢动态本构模型和断裂准则标定
2.1 引言
建筑结构冲击动力响应数值模拟预报的效果取决于材料性能的表征。现有的动态本构模型大多不能表征材料屈服阶段的塑性流动行为。Lode 相关断裂准则在Q355B 钢动态力学性能的研究中也处于空白。因此，有必要对建筑结构常用钢考虑屈服阶段的动态本构模型和 Lode 相关断裂准则展开研究。
本章开展了 Q355B 钢的不同尺寸缺口圆棒拉伸试验和平面应变试验，结合文献[16]24-26 扭转试验的结果，采用试验-数值模拟相结合的方法展开对 Q355B 钢动态本构模型和断裂准则的研究。
工程中材料的本构模型又称应力-应变模型，为了获得材料的应力-应变关系，开展了光滑圆棒拉伸试验，计算得到试验真应力-真应变关系。本试验在南阳理工学院土木工程学院试验室开展，应用了岛津 AG-X plus 立式电子万能试验机（如图 2-2 a））与岛津 SIE-560SA 全自动引伸计（如图 2-2 b））进行圆棒拉伸试验。试样断裂区域直径为 6mm，与两端用半径约为 7.25mm 的圆弧自然衔接，夹具夹持区域名义直径为 10mm 并带有 1.5mm 的螺纹，详细加工尺寸如图 2-1 所示。
图 2-1 拉伸试件示意图
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2.2Q355B 钢考虑屈服阶段的动态本构模型标定
2.2.1本构模型概述
低碳钢作为一种延性较好的建筑常用材料，在受力过程中会呈现的屈服阶段。由于材料内部的 C、N 等原子在位错周围集聚形成柯氏气团，产生“钉锚”效应。当受到拉伸作用时，位错会摆脱气团的束缚，发生位错运动，钢材产生持续的塑性变形，在拉伸曲线中呈现屈服平台。因此，对于这类有明显屈服平台材料的本构关系研究更具紧迫性。
对于爆炸冲击工程领域，国内外研究学者依赖材性试验结果标定了很多所研究材料的本构模型，而模型参数的精度对数值预报的准确性有较大影响，尤其是考虑屈服阶段的本构模型。因此，研究适用于 Q355B 钢考虑屈服阶段的本构模型，对预报结构在强冲击荷载作用下的瞬态响应至关重要。
本构模型又称材料的应力-应变模型。要想获得应力-应变关系，需利用如下公式对光滑圆棒拉伸试验载荷-位移数据进行两次转换，得到拟合所需要的真应力-真应变曲线。
本文通过拟合圆棒拉伸试验转换得到的真应力-应变曲线，分别标定 MxJ-C与 MxJ-C-Q 两种本构模型的参数。选取真应力-应变曲线中屈服阶段第一个点到颈缩点前这一段曲线，应用 Origin 软件分别基于 Ludwik 方程与 Voce 方程对两种本构模型进行拟合，如图 2-13、图 2-14 所示。拟合得到 MxJ-C 本构模型参数B=955.67MPa，n=0.63，Q=331.00MPa，β=12.45。MxJ-C-Q 本构模型参数详见附录。
图 2-13 MxJ-C 本构模型真应力-应变曲线拟合
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第 3 章 Q355B 钢靶板侵彻验证试验 ............................ 33
3.1 引言 ......................................... 33
3.2 靶板侵彻试验简介 .................................. 33
第 4 章 平头弹体侵彻 Q355B 钢靶板的数值模拟研究 .................................... 47
4.1 引言 ............................... 47
4.2 有限元模型 ................................. 47
结论与展望 ................................. 64
第 4 章 平头弹体侵彻 Q355B 钢靶板的数值模拟研究
4.1 引言
建筑结构在冲击爆炸作用下动力响应研究中，冲击破坏机理受材料特性、冲击速度和目标边界条件等变量的影响[69]。以往对爆炸冲击的研究，主要依赖于试验，但金属材料在冲击过程中，会出现较大的塑性变形和复杂的应力流动行为[70]，传统试验研究方法造价昂贵，耗时周期长。这就要求在有限的试验基础上借助仿真手段对试验加以完善。因此，本章通过有限元软件对 Q355B 钢靶板侵彻试验展开数值分析，对比 3 种工况下靶板的变形、断裂模式以及平头弹体侵彻 Q355B钢靶板的剩余速度和弹道极限速度，验证 MxJ-C-Q 本构模型和 Lode 相关 ASCE断裂准则的准确性。
基于 Q355B 钢靶板侵彻试验，本文对 Q355B 钢弹体和靶板建立相应的三维数值模型，模型是根据实际情况建立研究对象的几何形状和各部分的具体尺寸，如图 4-1 所示。
靶板直径、厚度分别为 42mm、4mm。由于靶板受弹体冲击区域应力状态较为复杂，会产生较大塑性变形。因此，为了清晰表达中心区域的变形情况，对其区域网格进行细化。采用 C3D8R 单元类型，靶板面被半径为 10mm 和 12mm 的同心圆划分为 3 个区域，受撞击区域单元尺寸为 0.2mm×0.2mm×0.2mm，靶板其余部分的单元网格划分较稀疏，大小为 0.4mm×0.4mm×0.4mm。对靶板圆周面进行完全固定，设置弹体表面与受撞击面接触时，接触的法向行为采用“硬”接触方法，忽略摩擦作用。
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结论与展望
结论
本文对 Q355B 钢考虑屈服阶段的动态本构模型和 Lode 相关 ASCE 断裂准则开展了系列研究，得到如下结论：
1. MxJ-C 本构模型不能很好的表征 Q355B 钢的屈服阶段塑性力学行为，而考虑屈服阶段的 MxJ-C-Q 本构模型能合理地表征屈服阶段的塑性力学行为。
2. Q355B 钢的断裂应变与应力三轴度和 Lode 参数相关。MJC 断裂准则可以预报断裂应变随应力三轴度的变化，不能预报随 Lode 参数的变化，特别是在低应力状态下，材料断裂应变远低于拉伸试验的结果。Lode 相关 ASCE 准则可很好地预报Q355B钢的断裂应变，与试验结果相一致。结果表明：Lode参数对Q355B钢的断裂行为预报有积极影响。
3. 开展了平头弹体侵彻 Q355B 钢靶板试验，观察到了 3 种破坏模式，拟合出了弹体侵彻 Q355B 钢靶板的弹道极限。弹的初始撞击速度低于弹道极限，靶板出现凹坑；接近于弹道极限，靶板发生剪切冲塞破坏；高于弹道极限，靶板发生绝热剪切冲塞破坏。并且
