层合板抗弹混杂结构优化试验研究

弹道冲击下具有一定混杂比例的纤维增强层合板,其抗弹效率与混杂结构相关。针对三种层间混杂层合板结构在微曲面柱形弹高速侵彻下的抗弹效率进行实验研究,并对其横向破坏模式展开分析,认为在弹道侵彻下层板结构横向纤维层存在吸能变形模式和抗弹机理的差异,将导致不同层间混杂结构抗弹效率的发挥。同时基于层板结构的工艺要求,认为层间混杂结构是综合性能较好的混杂结构。     

结构间隙对芳纶纤维增强复合装甲结构抗侵彻性能的影响

采用由5 mm厚的前置钢板、60 kg/m²面密度的芳纶纤维增强复合材料层合板抗弹芯层、10 mm厚的后置钢板构成的夹芯式复合装甲结构,模拟舰船舷侧复合夹芯舱壁结构。根据面板与芯层间有无50 mm的间隙,将复合装甲结构分为无间隙式、后间隙式、前后间隙式3种结构型式。开展了复合装甲结构在质量40 g、最高初速约为1 630 m/s的高速圆柱体弹丸冲击下的抗侵彻性能实验,提出了钢质面板和芳纶纤维增强复合材料层合板芯层的破坏模式,研究了复合装甲结构的抗侵彻机理,对比分析了同一穿甲载荷冲击下3种复合装甲结构的抗弹性能。结果表明：前置面板的破坏模式主要为剪切冲塞;面板与芯层之间的间隙对芳纶纤维增强复合材料板的破坏模式及钢质背板的变形量影响较大、对前置面板影响较小;同一穿甲载荷冲击下,间距的存在有利于复合装甲结构综合抗侵彻性能的提高。     

UHMWPE纤维层合板防弹性能数值分析研究

为研究UHMWPE纤维层合板的抗弹性能,将力学本构模型简化为面内"各向同性"模型和层间"节点力"模型,利用Abaqus 6.9实现全部分析过程,并根据分析结果讨论UHMWPE纤维层合板的失效模式。研究表明:简化后的模型能够较好地模拟UHMWPE纤维层合板的抗弹过程;在立方体破片高速侵彻时,靶板表现出明显的3阶段破坏,弹体发生镦粗和侵蚀现象,剩余速度和靶板变形的凸包高度跟试验值较为一致。     

高速弹丸冲击下复合材料层合板损伤特性仿真研究

为研究复合材料层合板在高速冲击下的损伤特性,通过有限元仿真方法,分析3种不同厚度的Kevlar纤维层合板及UHMWPE层合板在圆柱体、球体、立方体3种弹丸冲击作用下的变形破坏情况,得到3种层合板主要的总体变形破坏模式,并将结果与试验现象进行对比,明确弹丸初始动能与层合板总体变形破坏模式之间的关系。结果表明:高速弹丸冲击作用下,复合材料层合板的宏观破坏模式有整体弯曲变形、拉伸分层破坏和局部穿透破坏;对于UHMWPE材料,弹丸速度处于总体弯曲变形区与拉伸分层破坏区分界线时的吸能约为弹道极限时吸能的一半,而Kevlar纤维的吸能将超过弹道极限吸能的一半;当层合板受到圆柱体或立方体的冲击时,最大吸能将发生在弹道极限时,而球体的最大吸能发生在弹丸速度大于弹道极限时。     

Kevlar纤维层合板抗弹性能的数值模拟

采用Ansys/Ls-dyna建立了Kevlar纤维层合板的三维有限元模型,模拟了Kevlar纤维层合板的抗侵彻过程和抗弹性能,模拟结果与实验吻合较好,证明了模拟方法以及模型参数的合理性。在此基础上讨论了靶板的抗弹机理以及破坏方式,分析得到了随着靶板厚度的变化,抗弹性能会出现一个拐点,靶板破坏方式会发生变化,而在拐点之后,靶板厚度增加,靶板吸收能量减少,抗弹性能降低的结论。对某种特定弹体,存在一个合理的厚度匹配,以发挥Kevlar纤维层和板的抗弹性能。     

复合材料层合板的抗弹性能模拟分析

采用有限元软件ABAQUS模拟圆锥头弹体正冲击纤维增强复合材料层合板,分析了不同层数层合板在不同冲击速度下,子弹初始速度和剩余速度的关系以及层合板的等效应力云图和破坏特征云图.结果表明:在保持单层板厚度不变时,增大层合板层数可显著增强层合板的抗弹性能;子弹的剩余速度与初始速度关系曲线变化特征为先突变后平缓变化再呈线性关系;层合板的等效应力的最大值由接触点扩展到四周固定边界,最后到击穿区域周围局部单元;复合材料层合板在高速冲击下直接发生剪切破坏,而在低速冲击下先达到一定挠度然后发生破坏,为纤维拉伸破坏.     

考虑就位效应的大开口层合板拉伸失效预测

为更精确预测大开口复合材料层合板的失效模式和破坏强度,考虑子层就位效应建立大开口层合板渐进损伤分析模型。使用ABAQUS软件进行大开口层合板拉伸模拟,通过编写USDFLD子程序,分别设置失效准则以及刚度退化模型。设置失效准则时考虑层合板各子层的就位横向拉伸强度和面内剪切强度。结果表明:开口越大,层合板的破坏载荷值越低,[±45]5铺层相比[0/90]5铺层的大开口层合板承载能力弱;[0/90]5铺层的大开口层合板主要从应力集中处沿垂直于拉伸方向的截面断裂破坏,[±45]5铺层的大开口层合板从应力集中处沿纤维与基体的界面开裂破坏;层合板子层就位特性的破坏载荷预测值比未考虑就位效应的预测值更接近试验值,渐进损伤分析得到的破坏模式与试验结果吻合良好,验证了渐进损伤分析模型的正确性。     

破片群侵彻纤维增强层合板破坏机理及穿甲能力等效方法

为开展破片群侵彻下纤维增强层合板的防护设计,采用瞬态非线性有限元,进行了破片群侵彻下纤维增强层合板破坏机理的研究。阐明破片群侵彻下纤维增强层合板的破坏模式及过程,揭示破片群侵彻能力的增强效应,并分析破片数量、破片初速和破片间距因素对其影响规律,提出了破片群穿甲能力的等效方法。结果表明：与单破片侵彻相比,破片群的穿甲能力大大增强,其可与增大长度的单破片穿甲能力等效,为破片群侵彻下结构的穿甲防护设计提供了参考。     

混杂纤维增强材料板抗侵彻数值仿真及实验验证

本文根据实验研究，提出了混杂纤维增强材料靶板在弹道冲击条件下的数值仿真要求，利用大型通用有限元程序，根据实验中复合材料层合板的破坏模式及破坏机理分析，建立其抗侵彻仿真混合模型。本文采用该模型对靶板抗侵彻过程中的三种影响因素(三种工况)进行计算比较。三种工况包括：(1)层间结合力较强，基体材料失效破裂，导致纤维层分层破坏的模拟；(2)仅考虑层间相互接触力影响的模拟；(3)考虑热效应对纤维及基体材料性能的影响的模拟。计算结果与混杂纤维增强材料板抗破片侵彻的实验现象及实验规律，具有较好地一致性，同时，也证明高速冲击可以作为绝热过程进行考虑。本文仿真计算结果对于较好的理解复合纤维材料靶板中各组成成分对其抗弹能力的影响及优化靶板结构具有重要的工程意义。     

超高分子量聚乙烯纤维层合板抗侵彻性能的一种数值分析方法

为了准确模拟和预测超高分子量聚乙烯纤维层合板(ultrahigh molecular weight polyethylene laminate,UHMWPEL)的抗侵彻性能,将UHMWPEL离散为若干正交各向异性的单层板及若干黏结界面层分别建模;继而基于ABAQUS/Explicit求解器进行用户动态材料子程序二次开发,单层板损伤起始准则采用应力耦合的3D Hashin准则,黏结层损伤起始准则采用拉剪耦合的二次应力准则,二者均采用双线性材料本构模型及基于等效应力和断裂韧性的损伤演化方法;发展了一种适用于三维复合材料层合板抗侵彻分析的有限元计算方法。基于该方法计算预测了典型的10 mm和20 mm厚UHMWPEL在楔形钢质破片模拟弹(FSP)在不同初始速度冲击侵彻作用下的损伤破坏状态和FSP残余速度。计算结果表明,与已有试验相比,10 mm和20 mm厚的UHMWPEL弹道极限速度(v50)预测误差分别为0.6%和11.3%,FSP各残余速度数值计算误差均小于14.2%;UHMWPEL的损伤破坏过程表现出先冲切破坏和局部鼓包,继而大范围鼓包、大面积分层以及纤维拉伸破坏的两阶段特性,与已有试验的观测现象相吻合,验证了本文计算模型和方法的可靠性。     

Twaron织物树脂层压复合材料靶板剩余速度的研究

利用MTS801材料测试系统，旋转盘式杆杆型冲击抖动拉伸试验装置和弹道冲击侵彻测试装置，分别对Twaron纤维材料的应变率效应，Twaron织物树脂层压复合材料靶板的准静态和弹道冲击侵彻进行了测试研究，提出了基于准静态侵彻测试结果的预测Twaron织物树脂层压复合材料靶板剩余速度的简单能量模型。     

陶瓷与芳纶层合板叠层结构抗侵彻性能试验研究

为了研究陶瓷与芳纶层合板叠层结构在中高速弹丸侵彻作用下,陶瓷面板对芳纶层合板抗侵彻性能的影响,开展了13.5 g破片模拟弹丸以中高速冲击8 mm厚芳纶板、16 mm厚芳纶板、3 mm厚SiC陶瓷+8 mm厚芳纶板、3 mm厚Al₂O₃陶瓷+8 mm厚芳纶板4种靶板的抗侵彻性能试验。分析了有无前置陶瓷板,芳纶板受到冲击作用后,弹丸及芳纶板变形模式的差异、靶板单位面密度吸能的区别。研究结果表明：前置陶瓷板情况下,弹丸变形较大并伴随着质量磨蚀;前置陶瓷板降低了芳纶板的剪切破坏程度,增加了拉伸变形和层间分层范围;前置陶瓷结构相对于纯芳纶结构在弹速较高时抗侵彻能力较强。     

纤维增强铝层压板复合材料(FRALL)的弹道冲击贯穿

介绍了对纤维增强铝层压板在Φ９５６ 钢球弹道冲击下贯穿坏的实验研究结果，对其破坏现象、破坏机理以及在不同纤维增强情况下的抗弹性能进行了比较、分析．     

基于Hopkinson杆试验技术的PA-GF50复合材料动态力学行为

为研究纤维含量50%短玻璃纤维增强聚酰胺复合材料PA-GF50的动态力学性能及其应变率效应,利用准静态液压试验机及分离式Hopkinson压杆、Hopkinson拉杆对标距段尺寸为6~10 mm的试样,进行了应变率范围0.000 5~1 600 s^-1的准静态压缩、准静态拉伸、动态压缩和动态拉伸试验。对试样的应力-应变曲线和最终破坏形态,材料在不同应变率下失效破坏过程的微结构力学机理进行了分析。研究结果表明：动态载荷下,材料强度明显高于准静态载荷（压缩载荷下材料在400 s^-1、900 s^-1和1 600 s^-1应变率下分别较准静态载荷下增强31%、25%和29%;拉伸载荷下材料在400 s^-1、800 s^-1和1 200 s^-1应变率下分别较准静态载荷下增强46%、47%和28%）,且失效应变有所降低;试样变形和最终破坏形态为压缩载荷下试样经历缺陷压实过程再进入弹性变形最终达到强度后失效,拉伸载荷下试样经历弹性变形达到强度后失效断裂;材料在不同应变率下的微结构机理为准静态载荷下微观裂纹扩展组合成为宏观裂纹,动态载荷下微裂纹分别扩展成为宏观裂纹;试样的宏观断口和扫描电子显微镜结果证实,材料在准静态压缩加载条件下断口较为平整,动态压缩载荷形成纤维拔出、纤维断裂等特征,准静态拉伸载荷下纤维拔出明显,而动态拉伸载荷下主要表现为纤维断裂。     

织物衬垫编织工艺对自润滑关节轴承摩擦学性能的影响

为了了解织物衬垫在不同的编织工艺下自润滑关节轴承的摩擦磨损机理,采用不同的编织工艺制备了两种聚四氟乙烯(PTFE)/芳纶纤维自润滑编织衬垫,在一定工况下,对两种不同衬垫下的自润滑关节轴承的摩擦学特性进行了研究,并用扫描电子显微镜和能谱仪对衬垫磨损面和对偶面进行了微观分析。研究结果表明：在高频重载条件下,A工艺衬垫（先将两种纤维混并加工成纱线,再将其与芳纶纤维编织成织物）关节轴承的摩擦学性能较差,磨损机理主要是严重的疲劳磨损和粘着磨损;B工艺衬垫（PTFE纤维和芳纶纤维相互交织而成,摩擦面富含PTFE纤维,粘结面富含芳纶纤维）关节轴承则表现出良好的摩擦学性能,相对于A工艺衬垫关节轴承其耐磨性得到提高,磨损机理主要为轻微的粘着磨损和磨粒磨损,可见衬垫的编织工艺在很大程度上影响了关节轴承的摩擦学性能。     

平头弹低速冲击下薄钢板的穿甲破坏机理研究

为研究平头弹低速冲击下薄钢板的穿甲破坏机理,开展了一系列弹道试验。对比分析了不同初始速度下的弹体变形以及靶板破坏模式。采用非线性有限元分析ANSYS/LS-DYNA软件,对弹靶作用过程进行了数值模拟。根据试验结果确定了碟形区最终变形挠度的拟合函数,在此基础上对弹体和靶板的塑性变形能进行了理论分析,同时利用能量守恒原理建立了平头弹低速侵彻薄钢板的剩余速度计算模型。结果表明：平头弹低速侵彻下会发生一定程度的墩粗变形;平头弹低速侵彻下靶材主要为拉伸与剪切混合失效,靶板相应的失效模式为带有碟形变形的拉伸与剪切混合失效模式;弹体剩余速度的理论模型与试验结果吻合较好,有效地验证了该理论模型的适用性。     

FRALL材料抗冲击贯穿的分析与计算

基于对 FRALL材料球形弹冲击贯穿的实验研究 ,本文提出了一种简化的冲击贯穿模型 ,既考虑了纤维单向铺设所造成的材料横观不同性 ,又考虑了铝层及纤维中基体的阻力作用。该模型的近似分析计算结果与实验结果较吻合     

低速锥头弹丸对薄板穿孔的破坏模式研究

根据低速锥头弹丸对薄板穿孔的实验研究结果，分析了锥头弹丸穿透匀质钢靶板的作用过程，提出了大锥角弹丸穿透薄钢靶板的主要破坏模式为：隆起－剪切破坏和蝶形弯曲－花瓣开裂破坏。给出了这两种破坏模式的靶板变形功的计算方法，计算结果与实验结果符合较好。     

机载布撒器金属气囊的结构设计与性能分析

目前应用于机载布撒器外燃式子弹药抛撒机构的气囊主要由橡胶/芳纶材质构成,针对其承压强度较低、耐氧化性较差的不足,设计了一种金属材质（304不锈钢）的抛撒气囊。分别从承压强度和抛撒性能两方面开展静态承压试验与动态抛撒试验,以验证其用于抛撒系统的可行性。静态承压试验结果表明,壁厚0.2 mm的金属气囊膨胀过程具有良好的气密性,承压强度比橡胶/芳纶 复合材料气囊提高了50%左右、质量降低了约45%;动态抛撒试验结果显示,该结构金属气囊的膨胀形变过程具有良好的对称性,且对抛撒姿态影响很小。试验结果可为金属气囊在机载布撒武器中的工程实际应用提供参考。     

泡沫铝夹芯拱塑性动力响应的实验研究

应用泡沫金属弹撞击加载的方式研究了固支泡沫铝夹芯拱的塑性动力行为.对夹芯拱的变形与失效模式进行了系统的分类和分析,并考察了发射弹的动量、面板厚度、泡沫芯层厚度及曲率半径对其抗撞击性能的影响.夹芯拱的变形与失效模式可分为3种形式:前面板在作用区域的压入失效和整体的大变形、芯层的压缩失效和剪切失效以及后面板的非线性大变形....