Page 163 - 《爆炸与冲击》2026年第2期

第 46 卷 高 矗，等： 剪切增强和应变率效应对混凝土类材料状态方程的影响 第 2 期

#3、#4 和#5 的压力脉冲宽度依次变小；另外，测 0.40 Gauge #1
点#3、#4 和#5 的波形中没有出现同测点#1 和 0.35 Gauge #2
Gauge #3
#2 的压力平台，且峰值压力迅速降低。 0.30 Gauge #4
图 15 给出了数值模拟预测的撞击速度为 0.25 Gauge #5
288 m/s 的对称 FPI 实验水泥砂浆靶体在 0.15 ms Pressure/GPa 0.20
0.15
时的损伤云图。由图 15(a) 可知，在 288 m/s 的撞
0.10
击速度下水泥砂浆靶体已完全破坏，与实验后观 0.05
察到的靶体破坏形态一致。由图 15(b)～(c) 可 0
知，靠近撞击面的靶体上部发生严重的静水压缩 0 2 4 6 8 10 12
Time/μs
损伤与剪切损伤耦合破坏（压-剪破坏），而远离
撞击面的靶体下部无明显的压-剪破坏。这是由 图 14 数值模拟预测的撞击速度为 288 m/s 的对称
于水泥砂浆靶体中靠近撞击面处的压缩波峰值 FPI 实验水泥砂浆靶体压力时程曲线
Fig. 14 Numerically predicted pressure-time histories in cement
压力较高（如图 14 所示，测点#1 处可达 0.38 GPa），
mortar target for symmetric FPI experiment
可使水泥砂浆发生严重的压-剪破坏；靶体下部 at an impact velocity of 288 m/s
离撞击面较远，如图 14 所示，压缩波峰值压力沿
撞击面中心法线方向快速衰减，直至不足以产生压-剪破坏。另外，水泥砂浆靶体上部较严重的剪切损伤
的出现，可有效说明在低速平板撞击实验中确实存在不可忽视的剪切增强效应。由图 15(d) 可知，在自
由面反射拉伸波卸载的反复作用下，整个靶体出现严重破坏。

Damage
1.0
(a) Total damage (b) Hydrostatic damage 0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

(c) Shear damage (d) Tensile damage
图 15 数值模拟预测的撞击速度为 288 m/s 的对称 FPI 实验水泥砂浆靶体损伤云图
Fig. 15 Numerically predicted damage in cement mortar target for symmetric FPI experiment at a velocity of 288 m/s

由上述分析可知，假如无剪切增强效应和应变率效应对状态方程的影响，且状态方程能够覆盖爆炸
冲击荷载作用下混凝土类材料所经历的宽广压力范围，利用 Kong-Fang 模型和 SPG 算法可精确模拟混
凝土类材料包括剪切增强效应和应变率效应在内的复杂动态力学行为。

3 剪切增强效应和应变率效应对状态方程的影响

目前常用静水压缩和平板撞击 2 类实验数据来标定状态方程参数。然而，只有静水压缩实验测得的
压力是标定状态方程所需要的真实静水压力。在平板撞击实验中，水泥砂浆靶体处于高应变率下的动态
一维应变状态，除非冲击压力比水泥砂浆剪切增强高 2 个数量级或更高的情况下泥砂浆可被视为无黏性
可压缩流体，否则剪切增强效应和应变率效应的存在会导致实测轴向应力与真实静水压力存在明显差异。

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