弹道冲击下层合板破坏模式及抗弹性能实验研究

以舰用轻型复合装甲研究为背景，针对不同纤维增强种类(包括玻纤织物CA00、C200、SW220和芳纶纤维织物T750)以及不同面密度层合板结构，在6．2g刚性微曲面柱形弹弹道冲击下的防护能力展开实验研究，着重讨论了层合板结构弹道冲击下破坏模式，弹体初始侵彻速度及面密度与抗弹能力和抗弹效率之间的关系，认为不同的破坏模式体现了不同的吸能特性和纤维失效机理．     

弹体头部形状对碳纤维层合板抗冲击性能影响实验研究

为研究弹体头部形状对碳纤维层合板抗冲击性能的影响,利用一级气炮发射卵形头弹、半球形头弹和平头弹,对2 mm厚碳纤维层合板进行了冲击实验。利用公式拟合处理实验数据,揭示弹体头部形状对靶板弹道极限与能量吸收的影响,并且分析靶板冲击损伤形貌及机理特征。研究结果表明:平头弹弹道极限最高,半球形头弹次之,卵形头弹最低。弹体在低速度冲击时,弹体头部形状对靶板能量吸收率的影响更为显著。平头弹冲击时,靶板迎弹面受到均匀分布的环向剪切力,纤维同时被剪切,基体发生大面积剪切破坏。半球形头弹冲击时,靶板迎弹面受到非均匀分布的剪切力和挤压作用,纤维发生剪切断裂和拉伸断裂,基体发生剪切破坏和挤压破碎。卵形头弹冲击时,纤维发生单一的拉伸断裂,而基体则发生挤压破碎。弹体头部形状对靶板损伤的影响主要集中在迎弹面和中部纤维层。     

圆锥头弹体冲击复合材料层合板数值模拟

采用ABAQUS软件建立了圆锥头弹体正冲击复合材料层合板的有限元模型,并与已有文献结果进行对比验证了模型的可靠性,进而研究圆锥头弹体以不同的入射角度冲击复合材料层合板时初始速度与剩余速度的关系、复合材料层合板的破坏形态及弹体发生跳弹的规律。结果表明：弹体以90°入射角冲击复合材料层合板,在距离临界速度较大时,弹体的剩余速度与初始速度呈线性关系;不同的初始速度对复合材料层合板的损伤面积和破坏机制也不相同;弹体的入射角度越小、复合材料层合板越厚,越容易产生跳弹现象,并给出了入射角度和铺陈层数对跳弹现象的影响规律。该研究可为各种防护装备的设计和优化提供参考。     

刚性卵形头弹撞击角度对编织复合材料层合板侵彻特性的影响

利用一级气炮发射卵形头弹撞击2 mm厚度的编织复合材料层合板,撞击角度分别为0°、30°和45°,通过高速相机记录弹靶撞击过程,并获得弹体速度数据。基于拟合公式处理试验数据,计算获取弹道极限,分析撞击角度对弹道极限、靶板能量吸收率及其失效模式的影响规律及机制。结果表明：弹体撞击角度为45°时,靶板弹道极限最高,其次为0°,撞击角度为30°时最小。随着冲击角度增加,层合板损伤形状从菱形逐渐转变为椭球形,损伤面积随冲击速度增加而增大,且45°冲击时层合板损伤面积最大,0°和30°冲击时损伤面积近似相等。弹体初始撞击角度对靶体失效模式存在影响,弹体撞击角度为0°时,纤维断口主要是剪切应力导致的横截面。撞击角度为30°时,纤维断口主要是剪切应力和拉伸应力导致的斜截面。45°斜撞击时,纤维断口主要是拉伸应力导致的横截面。     

FRC 层合板抗高速冲击机理研究

基于纤维增强复合材料( FRC) 层合板高速冲击下横向变形及破坏模式的分析, 根据冲击动力学理论和应力波传播特性, 建立了FRC 层合板柱形弹高速冲击下的两阶段(剪切侵彻和连续侵彻) 侵彻动力学分析模型。采用瞬态梯度变形锥理论分析了连续侵彻阶段的弹、靶相互作用, 并编制相应计算程序, 通过计算结果与实验测试结果的综合比较, 弹体初速在300～900 m/ s 范围内, 剩余速度误差小于50 m/ s , 验证了两阶段侵彻模型的适用性和稳定性, 分析了实验现象, 如梯度变形锥、背层花瓣开裂和面背层破坏模式差异等的产生及形成机理, 提出了提高现有层板结构抗弹性能的新途径, 如降低层间粘结强度、提高面层纤维的抗剪能力等。      

玻璃纤维-不锈钢网混杂增强环氧树脂层合板对球形弹斜冲击响应特性实验研究

为了研究玻璃纤维-不锈钢网混杂增强环氧树脂层合板在球形弹高速斜冲击下的损伤特性,利用一级气炮对2 mm厚度的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料层合板和含一层、三层304不锈钢网的玻璃纤维-不锈钢网混杂增强环氧树脂层合板进行倾角为30°的冲击实验,以揭示304不锈钢网对层合板弹道极限和能量吸收的影响规律,并分析层合板损伤特征及其机理。通过实验发现,含有三层不锈钢网层合板的弹道极限最高,而不含不锈钢网层合板和含一层不锈钢网层合板的弹道极限速度接近。层合板吸收的能量随着弹体速度增加呈现出先增加后趋于平稳,然后急剧上升的趋势。层合板损伤模式为基体开裂和破碎、分层、不锈钢丝拉伸断裂、纤维拉伸断裂和剪切断裂。层合板分层损伤面积随弹体速度增大先增大后减小,最后趋于稳定。当弹体速度较低时,层合板主要发生纤维拉伸断裂、基体开裂、层间有分层损伤产生。随着弹体速度的增大,层合板正面纤维逐渐发生压剪断裂、基体破碎,背面纤维发生严重的拉伸撕裂。      

复合材料层合板侵彻行为的研究

采用显式有限元软件ABAQUS/Explicit模拟了纤维增强复合材料层合板的侵彻行为。重点分析了弹头形状、纤维铺设方式、层数等因素对层合板抗弹性能的影响,给出了层合板在不同弹头冲击下的侵彻破坏特征和模态,获得了弹道极限速度。模拟结果与理论计算结果及已有实验结果进行了对比,吻合较好,这可为工程实际提供参考。     

铺陈角度对芳纶/玻璃纤维层合板抗冲击性能的影响

采用Abaqus软件建立了圆锥形子弹正冲击芳纶/玻璃纤维复合材料层合板的有限元模型,将模拟结果与文献中的实验结果相比较验证了模型的可靠性,进而研究子弹以不同的速度对不同铺陈角度下的复合材料层合板冲击后初始速度与剩余速度的关系以及层合板的破坏特征。结果表明:当层合板铺陈角度不变且子弹击穿层合板时,子弹初始速度与剩余速度接近于线性关系;在子弹未穿透层合板时,[0/90°]铺陈角度的层合板抗弹性能最好,在子弹以600~900 m/s的较高速度穿透层合板时,[45/-45°]铺陈角度的层合板吸能效果最好;由破坏特征图表明铺陈角度对层合板的损伤面积和破坏机制影响不大。该研究可为防护装备的设计和优化提供参考。     

冰雹冲击复合材料层合板失效模式分析与数值模拟

针对复合材料层合板结构,建立了冰雹冲击复合材料层合板的有限元模型,在充分考虑冲击过程中冰雹的流体特性下,给出了冰雹和复合材料层合板的材料模型和损伤准则,利用显式有限元分析工具LS-DYNA研究了不同冰雹冲击速度下复合材料层合板的临界破坏速度和破坏形式。结果表明,文中给出的冰雹、复合材料层合板的材料模型和损伤准则能够合理地再现冰雹冲击复合材料板的过程;复合材料层合板(AS4/8552)在冰雹高速冲击下首先发生的是基体开裂,当冰雹速度到达125m/s时,层合板上表面纤维发生断裂,但在整个冰雹冲击过程中层合板没有发生压缩失效     

复合材料抗高速冲击性能模拟分析

对热固性树脂基芳纶纤维增强复合材料进行了静、动态力学性能测试,得到了可用于模拟分析的部分弹性常数和强度极限,试验结果表明:芳纶增强复合材料拉伸和压缩性能具有较为明显的应变率效应.通过大型动力学有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,采用渐进损伤式复合材料模型,对复合材料层合板抗钢球贯穿冲击性能(弹速600～1800m/s)进行了3D数值模拟分析,计算结果和打靶结果具有较好的一致性(钢球弹体残余速度误差小于10％).     

芳纶纤维复合材料抗弹性能研究

叙述了球形弹体对芳纶纤维增强复合材料冲击的研究结果.对芳纶复合板的抗弹机理进行了研究,并研究了影响芳纶复合材料抗弹性能的主要因素.结果表明,在等厚条件下,预浸料铺层层数越多,靶板面密度越大;采用热塑性树脂材料为基体,且基体含量较低时,芳纶复合材料会具有更好的抗弹性能.     

棉花纤维增强冰弹对复合材料层合板冰撞动响应的影响

当前研究表明自然界冰雹比纯净冰的密度低、强度高,为此ASTM F320-10标准中要求,在实施航空结构抗冰撞试验时,人工模拟冰弹中需添加棉花纤维,以更真实呈现自然界冰雹的力学特性。为研究复合材料蒙皮结构遭受自然界冰雹后的损伤特性,采用80 mm口径气炮装置,开展纤维增强冰弹撞击刚性靶板和复合材料层合板试验。结果表明：冻结温度对冰弹力学性能几乎无影响;棉花纤维的加入显著提高了冰弹的模量和断裂强度;在中低速度范围内,复合材料层合板分层损伤面积随纤维增强冰弹的冲击速度及层合板铺层方式变化,而相同速度范围内受纯净冰弹冲击的层合板未出现分层损伤。     

结构参数对截锥弹低速正侵彻装甲靶的影响

采用数值模拟和实验研究相结合的方法,对截锥形动能弹低速正侵彻装甲靶作用行为进行了分析,获得了弹头锥角、前级半径和着靶速度对侵彻性能的影响特性,并对目前常用的侵彻理论模型进行了验证。数值模拟结果表明,弹头锥角和前级半径是影响截锥形动能弹侵彻性能的重要因素;着靶速度对侵彻深度和侵彻过载有显著影响,对弹体变形也有一定影响。实验结果与数值模拟结果吻合较好,而侵彻理论模型与实验结果有较大差别,侵彻模型并不适合分析存在一定变形的弹靶侵彻问题。     

Kevlar层合材料抗弹性能研究

以Kevlar纤维增强层合材料为对象,通过系列弹道冲击实验,研究了层合板的抗弹性能,着重分析了弹头、纤维铺设方式以及板厚等因素对靶板抗侵彻能力的影响,同时对靶板的破坏模式也作了必要的讨论。此外,还通过一种工程近似方法,分析了不同弹头弹丸的弹道极限速度,预测值与实验值具有良好的一致性。     

刚性尖头弹扩孔贯穿金属靶板理论模型的讨论

针对延性扩孔破坏模式,讨论了刚性尖头弹贯穿韧性金属靶板的已有六个理论模型（F-W、C-L、JZG、WHM、S-W和JBL）对于靶板厚度和弹头形状的适用范围,统一了各模型参数的选取准则,分别给出了JZG模型尖锥头形和尖卵头形弹体半锥角和无量纲曲率半径（CRH）的适用范围。基于12组冲击速度为200~1600m/s,厚径比（靶体厚度与弹身直径之比H/d）为0.605~9.17的多种弹靶材料的穿甲实验,得出：对于尖锥头形弹体贯穿靶板后的残余速度,S-W和WHM、JZG、F-W模型分别对于较薄靶板、中等厚度靶板和较厚靶板的预测效果较好;而对于尖卵头形弹体,WHM和JBL模型预测效果较好。同时,各模型对于弹道极限预测效果的结论和残余速度一致。分析结论可为坦克、舰船等单、多层金属装甲防护结构设计与计算提供参考和依据。     

纤维增强复合材料层合板缺口尺寸及形状效应数值模拟

通过考虑基体裂纹、纤维断裂、层内劈裂和层间脱层等破坏形式,建立三维有限元模型研究含中心圆孔和中心裂缝的准各向同性复合材料层合板([45/0/-45/90]_(2S))在拉伸载荷下的缺口尺寸效应及缺口形状效应。模拟结果显示:随着缺口尺寸的增大,层合板的破坏强度逐渐降低,然而,在本文研究范围内含中心裂缝的层合板破坏强度始终高于对应的含中心圆孔的层合板破坏强度。进一步分析有限元模拟结果表明,含中心裂缝的层合板亚临界损伤发生得更早,并且亚临界损伤范围更大,亚临界损伤会大大缓解缺口尖端的应力集中,从而使含中心裂缝层合板表现出更高的破坏强度。     

船用复合结构加筋板侵彻过程的数值模拟研究

针对半穿甲战斗部对带有复合材料层的舰船薄钢靶的侵彻作用,采用数值模拟的方法,结合已有实验数据,分别进行不同形状弹头对船用薄钢靶侵彻效应的影响分析、卵头弹对带有复合材料层以及带有加筋结构的船用薄钢靶的侵彻效应分析。实验证明德玛尔公式在大质量弹体侵彻舰船薄钢靶计算中的适用性,并得到3种形状弹头极限侵彻速度的关系;超高分子量聚乙烯层(UHMWPE)仅对低速弹丸阻碍效果明显;加筋结构可降低大质量弹体侵彻舰船薄钢靶的剩余速度,但影响有限。     

钢质圆柱壳在侧向局部冲击荷载下的变形及失效破坏

基于动力有限元程序LS-DYNA及随动塑性Cowper-Symonds模型,对两端固支钢质薄壁圆柱壳经受半球头弹体侧向局部冲击的非线性动力响应问题进行数值模拟,获得了不同冲击条件下圆柱壳的变形及破坏模态,并研究了弹体在不同周向冲击倾角时壳壁产生穿透性破裂的最小速度（临界破裂速度）。研究表明,圆柱壳破坏模式与弹体冲击倾角θ0、冲击速度V等因素密切相关,将发生局部凹陷、碟形变形及穿透现象,且临界破裂速度随冲击倾角的增大而增大。研究结果可应用于圆柱壳在侧向局部冲击作用下的毁伤预测,从而为圆柱壳结构的安全防护设计提供理论依据。     

弹体对半无限厚混凝土靶侵彻的数值分析

本文采用混凝土的全过程动态计算本构模型,利用拉郎日弹性塑性有限元程序分析了刚性弹体侵彻半无限厚混凝土靶的深度与弹重、着靶速度、弹头形状、弹体长径比等之间的关系,并分析了弹体侵砌混凝土靶的过程中弹体的结构响应。     

三维编织复合材料弹道侵彻准细观层次有限元计算

三维编织复合材料相比于层合复合材料有较高的层间剪切强度和断裂韧性,因而具有更高的冲击损伤容限。用钢芯弹对三维编织复合材料作弹道贯穿测试,得到弹体的入射速度和剩余速度,并考察侵彻破坏模式。目前对三维编织复合材料弹道侵彻性能计算主要建立在连续介质假设上,从真实细观结构计算三维编织复合材料弹道冲击性能尚有一定难度,用三维结构复合材料的纤维倾斜模型在准细观结构层次上分解三维编织复合材料,就其中的一块倾斜单向板作弹道侵彻有限元计算,由弹体动能损失得到贯穿整个复合材料靶体后弹体的剩余速度。有限元计算及与弹道测试结果的比较证明在准细观层次上计算三维编织复合材料弹道冲击性能的有效性。