碳纤维层合板弹体冲击仿真方法研究

为了研究碳纤维增强复合材料层合机匣对高速撞击碎片的包容能力,通过LS-DYNA对圆柱弹体撞击BMS8-212层合增强复合材料进行动态仿真计算。有限单元计算模型中,层板材料采用连续损伤材料本构模型,层间采用固连失效接触模式。通过与试验结果的比较,验证了数值仿真方法的可靠性。发现,纤维增强复合材料层合板在弹体的横向高速撞击下主要的失效形式为纤维剪切、纤维和基体挤压、分层破坏、拉伸失效。     

Kevlar缠绕增强机匣包容过程研究

开展轻质复合材料风扇包容机匣的研究,对大型民用涡扇发动机的减重设计具有重要意义。为研究Kevlar纤维束编织布缠绕增强机匣的包容过程,在立式试验台上进行高速旋转平板叶片撞击Kevlar缠绕增强铝合金内层机匣的包容试验,并采用显式瞬态动力学软件LS-DYNA对撞击过程进行数值仿真。结果表明:叶片撞击机匣的过程可分为3个阶段,其中包括两次主要的撞击;断叶的冲击动能大部分由Kevlar纤维束编织布吸收;断叶包容过程中外层纤维布会产生较大的鼓包变形,鼓包的大小和位置随叶片运动而改变。     

薄靶板受叶片形弹体撞击的数值仿真研究

为研究航空发动机薄壁机匣包容高速飞断平板条叶片的能力,数值模拟了平板条叶片以不同偏航角和初始速度垂直撞击矩形靶板的过程。数值仿真采用Johnson-Cook本构模型和失效准则以考虑应变率、应力三轴度和温度对材料性能的影响,分析了叶片形弹体的偏航角和初始速度对弹体和靶板变形、失效模式及能量损耗过程的影响。结果表明:随着偏航角的增大,靶板的主要失效模式从绝热剪切带破坏过渡到撕裂破坏,破坏及变形区域增大,弹道极限速度提高;平板条的主要变形则为撞击头部的镦粗过渡到整体的弯曲。研究结果对于揭示机匣受断叶冲击破坏机理和改善叶片包容能力设计方法具有指导意义。     

立方形钨破片穿甲效应的数值模拟与试验

为探寻立方形钨破片着靶姿态对其穿甲效应的影响规律,采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件和战斗部地面静爆试验相结合的方法,研究了破片以不同姿态正、斜撞击靶板时,破片的剩余速度、剩余动能和靶板损伤面积的变化规律。结果表明:正撞击时,不同姿态下破片剩余速度和靶板损伤面积相差较小,破片剩余动能变化稍大;斜撞击时,不同姿态下的3种参数与着角θ变化规律基本一致,面着靶靶板损伤面积最小,尖角着靶破片剩余速度和剩余动能最高,跳飞角度更大。研究结果对破片式杀伤战斗部设计和毁伤威力评估具有重要的参考意义。     

内埋武器发射参数对下落轨迹的影响

采用改进的延迟分离涡模拟方法结合动网格技术,对某一简化内埋弹舱-舱门-弹体模型的三维流场进行非定常计算,得到了不同来流马赫数、弹体发射速度和初始角速度等参数对弹体下落轨迹的影响规律。结果表明:亚声速条件下来流马赫数对弹体偏航角度影响较小,跨声速及超声速条件下受流场波系的影响,弹体均向右偏航。超声速条件下,随马赫数增加弹体偏航角和俯仰角的变化幅度减小。提升弹体初始发射速度可以使弹体快速达到安全分离距离,并减小姿态角变化。增加弹体初始低头角速度可以在不增加弹射力的情况下,减小弹体俯仰角度,提高弹体分离速度,有利于机弹安全分离。     

叶片相互作用对机匣/叶片包容过程的影响

为了解完整叶片与离心飞断叶片之间的相互作用对机匣/叶片包容性过程的影响,结合试验和数值仿真进行研究是十分必要的。该文以某型航空发动机一级风扇为例,通过建立网格精细的有限元模型、选择恰当的材料模型及合理的撞击动力仿真计算参数,得到与试验吻合较好的数值仿真结果。结果表明:断叶旋转方向后侧的旋转叶片通过撞击推动断叶继续向前运动,补充了断叶的能量,对包容过程的第二次撞击有较大影响,导致机匣的包容能力降低。     

平纹织物三维细观几何模型和织物防弹实验的有限元模拟

建立了平纹织物的三维细观几何模型,利用LS-DYNA有限元软件模拟了弹丸冲击的条件下,单层芳纶织物的响应过程。模型的几何形状参考了平纹织物的截面显微镜照片,使建立的模型更加准确,更接近平纹织物真实的结构。纱线模型选用正交各向异性材料,材料参数和失效条件均参考真实的Kevlar织物,并考虑纱线和纱线之间以及纱线和弹丸之间的摩擦。模拟中,通过设定弹丸的撞击速率Vs,得到剩余速率Vr,并由此计算单层织物的弹道极限速率V50。结果表明:织物的变形过程和失效形式在模拟中得到细致的显现,模拟所得结果V50和织物的失效形式与实验结果的一致程度较好。     

平纹织物三维细观几何模型和织物防弹实验的有限元模拟EI北大核心CSCD

建立了平纹织物的三维细观几何模型,利用LS-DYNA有限元软件模拟了弹丸冲击的条件下,单层芳纶织物的响应过程。模型的几何形状参考了平纹织物的截面显微镜照片,使建立的模型更加准确,更接近平纹织物真实的结构。纱线模型选用正交各向异性材料,材料参数和失效条件均参考真实的Kevlar织物,并考虑纱线和纱线之间以及纱线和弹丸之间的摩擦。模拟中,通过设定弹丸的撞击速率Vs,得到剩余速率Vr,并由此计算单层织物的弹道极限速率V50。结果表明:织物的变形过程和失效形式在模拟中得到细致的显现,模拟所得结果V50和织物的失效形式与实验结果的一致程度较好。     

单层A3钢薄靶在不同头型弹体斜撞击下的失效模式和防护性能研究

利用轻气炮设备对平头、卵形弹进行了以5种角度撞击2 mm单层A3钢薄靶的斜穿甲试验,得到了不同头型弹体在各个角度撞击单层靶的初始-剩余速度曲线及靶板的弹道极限,获得并对比分析了弹体头部形状、撞击角度对靶板的防护性能及失效模式的影响。结果发现,平头弹在各个撞击角度下较卵形弹更容易击穿靶板,撞击角度较大时卵形弹较平头弹更容易发生跳飞现象;靶板的防护性能与弹体造成的靶板损伤和失效模式紧密相关,随着斜撞击角度变大,平头弹造成的靶板局部穿孔毁伤模式逐步由剪切冲塞失效转向以拉伸撕裂失效为主,同时整体结构弯曲和膜变形减小,而薄板在卵形弹斜撞击下的失效模式则以局部斜形非对称花瓣开裂为主。     

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。     

TC4钛合金板厚度对其撞击失效特性影响研究

为了揭示TC4钛合金板抗撞击性能与失效模式随厚度的变化规律及机理,采用ABAQUS/Explicit有限元软件建立平头弹撞击不同厚度靶板的模型,对弹体撞击不同厚度靶板进行计算。通过对比数值仿真与撞击实验结果,验证仿真模型的有效性。研究结果表明,靶板的主要失效模式、耗能机制、弹道极限随其厚度增加会发生改变,靶板厚度存在对应的转折值。对于TC4钛合金薄板,当靶板厚度比较小时,靶板拉伸撕裂破坏占主导作用。但是,当靶板厚度比较大时,靶板主要失效模式是局部剪切破坏。当靶板厚度小于4 mm、大于8 mm时,弹道极限速度随靶板厚度的增加而增加;当厚度为4~8 mm时,弹道极速度变化不明显。     

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。     

风致飞掷物冲击建筑浮法玻璃试验和数值模拟

通过试验和有限元数值模拟的方法研究风致飞掷物对建筑浮法玻璃的冲击破坏效应。首先进行钢球冲击浮法玻璃面板的破坏试验,然后基于LS-DYNA建立与试验对应的飞掷物冲击浮法玻璃有限元模型,并通过对比试验和数值模拟的结果验证有限元模型的可靠性。最后基于验证后的有限元模型,以板状飞掷物为代表,研究风致飞掷物的冲击位置、冲击姿态和外形等特性对其冲击效应的影响。结果表明,建筑浮法玻璃在风灾中非常容易受到飞掷物的冲击而破坏。采用JH-2作为浮法玻璃的本构模型并以SIGP1=75 MPa作为失效准则,能够较准确地模拟浮法玻璃在冲击荷载下的破坏特性。板状飞掷物的冲击位置对其冲击效应影响不大,但其冲击姿态和边厚比对冲击效应有较大的影响。     

侵彻单层靶时着靶姿态对装药损伤的影响规律研究

为研究着靶姿态对高速侵彻弹装药损伤的影响,依据实际战斗部的结构尺寸设计了小尺寸模型试验弹,在125 mm口径的滑膛炮发射平台上开展了试验弹以不同攻角斜侵彻单层钢靶试验。通过理论计算得到着靶姿态对侵彻过程能量损失的影响。利用CT扫描无损检测技术观测不同着靶姿态下试验弹内部的损伤情况。运用LS-DYNA对试验弹侵彻钢靶过程中装药的力学响应过程进行模拟计算。结果表明:在斜侵彻单层钢靶的过程中,着角一定时,能量损耗与攻角呈指数关系;试验弹的倾角越大,装药尾部受到的应力波拉伸压缩反复作用越明显,装药在侵彻过程中长度变化越大,更易出现深度裂纹、塌边等损伤;壳体外形变化会引起装药受到的压缩应力阻碍微裂纹的扩展和滑移,减少宏观损伤的出现。     

航空发动机风扇机匣包容性等效试验与分析方法

针对硬壁机匣包容性问题,提出在发动机研制初期,通过风扇包容机匣等效试验件靶板冲击试验,模拟真实风扇叶片脱落机匣包容性过程,并通过材料高应变率试验拟合机匣材料在高应变率下的本构模型;建立基于简化试验结果的数值仿真模型标定及机匣包容性分析模型修正方法,对风扇叶片脱落机匣包容性分析模型进行标定,建立高精度风扇机匣包容性仿真预测模型,用于风扇叶片脱落适航取证试验前仿真预测,以提高试验成功率、减少试验次数。通过数值仿真可拟合获得机匣包容厚度与叶片脱落载荷的关系,为风扇包容机匣设计提供厚度参数输入参考。     

The effect of hybridization on the GFRP behavior under high velocity impact

In the present study, experimental and analytical investigations for the behavior of E-glass fiber reinforced composite hybridized with a layer of Kevlar 29 fiber, under high velocity impact, were performed. The experimental work includes the placement of the Kevlar layer at four different locations to verify the effects of the stacking sequence on the impact behavior. Three different projectile geometries, namely, flat-ended, hemispherical and conical were used. The experimental results reveal that hybridization improves the laminates performance under dynamic penetration. The results also indicate that the laminates response was found to be highly sensitive to the projectile geometry. In the case of analytical modeling, two energy models were conducted to calculate the projectile residual velocities. The results obtained from the two models were compared with those obtained experimentally and some conclusions were drawn.     

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。     

纤维增强复合材料层板高速冲击损伤数值模拟

推导了复合材料应变率相关三维本构关系, 并将其用于复合材料层板高速冲击损伤的数值模拟。该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层, 结合三维Hashin失效准则进行单层板面内损伤识别, 引入材料刚度退化, 采用非线性有限元方法, 研究了复合材料层板高速冲击的破坏过程及层板的损伤特性。数值分析结果表明, 剩余速度预报结果与实验结果吻合较好, 层板的主要损伤形式是层间分层、 基体微裂纹和纤维断裂, 减小弹体直径、 增大铺层角度和层板厚度能够有效降低层板损伤面积。      

Jet engine fan blade containment using an alternate geometry

With a goal of reducing jet engine weight, simulations of a fan blade containment system with an alternate geometry were tested and analyzed. A projectile simulating a fan blade was shot at two alternate geometry containment case configurations using a gas gun. The first configuration was a flat plate representing a standard case configuration. The second configuration was a flat plate with a radially convex curve section at the impact point. The curved surface was designed to force the blade to deform plastically, dissipating energy before the full impact of the blade is received by the plate. The curved case was able to tolerate a higher impact velocity before failure. The computational model was developed and correlated with the tests and a weight savings assessment was performed. For the particular test configuration used in this study the ballistic impact velocity of the curved plate was approximately 60 m/s (200 ft/s) greater than that of the flat plate. For the computational model to successfully duplicate the test, the very high strain rate behavior of the materials had to be incorporated.