环氧基CFRP冲击性能及损伤容限性能研究

为获得碳纤维增强复合材料(carbon fibre reinforced plastics,CFRP)受低速冲击时的损伤情况,对环氧基CFRP层合板进行抗冲击及损伤容限性能试验。为获取不同冲击能量下CFRP层合板的低速冲击响应信息,对CFRP层合板进行低速冲击试验,基于试验结果进行层合板低速冲击损伤形式、损伤机理及能量响应和冲击损伤形貌分析;为确保复合材料结构的耐久性和损伤容限,进行冲击后压缩试验,分析CFRP的损伤阻抗和损伤容限。结果表明:冲击能量在冲击过程中被吸收或转化,CFRP层合板的分层阈值和冲击能量无关,与材料的属性及成型工艺相关;CFRP层合板的冲击能量-凹坑深度曲线与凹坑深度-剩余压缩强度曲线拐点位置一致,且拐点对应的凹坑深度不超过BVID规定的凹坑深度。     

冲头形状对复合材料层合板低速冲击力学行为影响研究

为掌握冲头形状对碳纤维复合材料层合板低速冲击响应的影响规律，了解层合板内部的损伤机制与失效模式，用Abaqus有限元软件对层合板进行低速冲击力学行为的数值模拟，为考虑多种失效模式混合，用三维Hashin强度准则与双线性内聚力模型分别预测层合板层内与层间的渐进损伤演化，重点讨论冲头形状对层合板冲击响应的影响规律。数值模拟结果与现有低速冲击试验数据较吻合，最大误差低于5%，验证了模型的可靠性。结果表明：冲击接触面积与穿透程度是造成层合板在不同冲头形状下冲击响应差异的主要原因，冲击接触面积较小的冲头对层合板的穿透程度大，会造成层合板沿厚度方向的损伤积累。冲击接触面积较大的冲头对层合板的穿透程度小，会造成层合板沿面内的层间分层损伤扩展。     

褶皱层数对玻璃纤维层合板拉伸性能的影响

为考察褶皱层数对玻璃纤维增强树脂基复合材料层合板拉伸性能的影响,开展无褶皱和不同褶皱层数的试件拉伸测试,基于三维Hashin失效准则和渐进损伤失效理论建立有限元强度预测模型,对比分析试验与数值仿真结果.结果表明:拉伸强度随褶皱层数增加显著降低,铺层全褶皱时拉伸强度降低约50％;拉伸弦向弹性模量随褶皱层数增加而降低,破坏应变随褶皱层数增加而增大;最内侧,基体开裂和纤维断裂是最主要的失效形式;建立的有限元仿真模型可准确预测不同褶皱层数的玻璃纤维增强树脂基复合材料层合板的拉伸强度和失效模式.     

碳纤维复合材料层合板低速冲击损伤特性研究

以碳纤维复合材料层合板为研究对象,针对低速冲击损伤进行落球低速冲击数值模拟与试验研究,用三维Hash-in失效准则与内聚力单元相结合分析3种不同冲击能量下层合板的损伤演化规律,在试验过程中引入数字图像技术(digital image correlation,DIC)对冲击过程进行实时监测.结果表明:碳纤维复合材料层合板的损伤面积随低速冲击能量增加而增大,低能量以基体开裂为主,高能量以基体开裂和分层为主.用DIC技术得到层合板损伤表面应变规律和集中分布区,与数值模拟结果相验证,误差小于5％.     

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。     

复合材料层合板抗弹性的工程分析模型

根据复合材料的本构关系和失效准则,利用动量和能量守恒原理建立了弹丸垂直侵彻有限厚复合材料层合板工程分析模型,给出了此类层合板弹道性能V50的预测公式,用该模型计算了正交玻璃纤维层合板的V50,并进行了试验验证,其结果一致性较好.     

复合材料层合板冲击模型研究现状

近年来复合材料被广泛应用于防护领域,其中以高性能纤维单层板、陶瓷板、金属泡沫板等单一或几种不同类型复合材料设计构成的层合板结构成为主要的复合材料防护结构形式。总结了复合材料层合板结构在冲击问题研究中分析模型的进展情况,侧重于能量耗散分析模型、应力波分析模型与损伤力学分析模型三个方面,对各分析模型进行了总结与评价,同时也对冲击中的试验方法、测试技术的进展情况进行了回顾。     

冲击载荷下复合材料干涉连接的应力分析

针对复合材料在某地面机动武器系统中的应用,对冲击载荷下复合材料干涉连接的应力进行分析.在复合材料经典层合板理论假设的基础上,建立冲击载荷下复合材料层合板、金属板与螺栓3种不同干涉量的干涉连接有限元模型,并利用有限元分析软件对其进行应力分析.分析结果表明:3种不同干涉量下,模型受到冲击载荷时的应力集中情况,根据复合材料层合板Tsai-Wu破坏准则,确定在冲击载荷下复合材料与紧固件的最佳干涉量值为1.4％.     

复合材料螺栓连接强度与损伤扩展分析

基于ABAQUS建立复合材料层合板螺栓连接三维渐进损伤模型,并通过数值模拟与实验极限强度值的对比,证明模型具有较好的准确度,相对误差均在8%以内。在此基础上,研究螺栓-孔配合精度对层合板螺栓连接强度的影响,并预测其损伤起始到最终失效的损伤扩展过程。结果表明,采用干涉量较小的干涉配合可以提高接头的极限强度;损伤单元由中间铺层向表面铺层扩展,当损伤单元由孔边沿径向扩展至板宽边缘时,层合板最终失效。     

某层合板吊篮结构的有限元分析

为研究某车载炮层合板吊篮结构典型工况下的结构强度问题,运用Ansys Composite Prep-Post 软件对其 进行铺层并建立有限元仿真模型。采用瞬态动力学分析,尝试使用梁单元建模法来代替传统接触问题的求解方法, 炮塔按某较大加速度转动一定角度急停,得到吊篮应力分布和变形角度云图,并与实验数据进行比较。结果表明： 该方法对非线性接触问题的符合材料结构变形分析十分有效,对其他类似复合材料结构的有限元分析有着参考作用。     

编织物增强层板的抗冲击性研究

对受到中心冲击的一系列平纹编织Ｓ－ｇｌａｓ／ｅｐｏｘｙ和Ｋｅｖｌａｒ／ｅｐｏｘｙ层板及由此产生的损伤情况进行了研究，并采用有限元程序对层板的应力状态进行分析。发现层板铺层角的变化对冲击载荷－时间曲线没有显著影响；随冲击速度的提高，铺层角变化对层板损伤的影响变得显著；铺层角的错配可以偏转冲击裂纹的扩展方向；Ｋｅｖｌａｒ纤维的高延伸率和弱粘结性使得它的局域应力幅值高于Ｓ－ｇｌａｓｓ层板，从而导致了穿透现象的出现。     

Numerical Simulation of Particle/Matrix Interface Failure in Composite Propellant

Interface debonding between particle and matrix in composite propellant influences its macroscopic mechanical properties greatly. For this, the laws of interface cohesive damage and failure were analyzed. Then, its microscopic computational model was established. The interface mechanical response was modeled by the bilinear cohesive zone model. The effects of interface properties and particle sizes on the macroscopic mechanical behavior were investigated. Numerical simulation of debonding damage evolution of composite propellant under finite deformation was carried out. The debonding damage nucleation, propagation mechanism and non-uniform distribution of microscopic stress-strain fields were discussed. The results show that the finite element simulation method based on microstructure model can effectively predict the trend of macroscopic mechanical behavior and particle/matrix debonding evolution process. It can be used for damage simulation and failure assessment of composite propellants.     

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。     

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。     

刚性破片侵彻层合板运动模型

为揭示杀伤元与超高分子量聚乙烯(UHMWPE)层合板相互作用机制,开展硬质合金破片侵彻UHMWPE层合板的的弹道试验,获得不同入射速度下破片穿透层合板后的剩余速度以及层合板在不同速度下的断裂失效形貌特征。在此基础上,基于波动理论和能量守恒原理建立刚性破片对层合板侵彻过程的能量耗散模型,分析破片侵彻过程中不同形式能量传递规律。研究结果表明：侵彻过程中层合板因剪切失效、拉伸和压缩变形产生的能量传递在各种形式耗散能量中占主导地位;与试验结果对比发现,该模型可有效描述破片对层合板的侵彻过程,可为有防护目标杀伤机理及弹道设计提供一定参考。     

低速弹体贯穿钢筋混凝土多层靶的破坏特性

为获取大尺寸弹体对4层钢筋混凝土薄靶的贯穿破坏特性,开展了实验与仿真研究。以300 mm口径平衡炮作为发射平台,驱动280 kg截卵形弹体以337 m/s低速正贯穿4层抗压强度为41.8 MPa的钢筋混凝土薄靶,发现靶板破坏区域由锥形前坑区和后坑区组成。在此基础上建立了弹体正贯穿钢筋混凝土薄靶的破坏模型,并对破坏特性相关因素进行了分析。建立了有限元数值仿真模型,采用有限元分析软件LS-DYNA对整个贯穿过程进行了计算。将数值仿真结果与实验结果进行了对比,结果表明：速度及动能消耗最大误差分别为0.82%和6.21%,一致性较好;建立的数值仿真模型可用于弹体对多层靶侵彻能力的预估。     

复合材料身管热-结构耦合分析与优化

以纤维增强复合材料身管为研究对象,采用有限元方法,建立复合材料身管热-结构耦合分析模型并进行了求解;基于有限元分析模型和优化方法,建立了以复合材料身管质量最轻为优化目标、复合材料身管结构刚强度为约束的优化模型,对各层材料厚度和复合材料缠绕角进行了优化设计,优化方法采用多岛遗传算法和序列二次规划相结合的综合优化策略.优化算例表明,在满足身管强度和刚度要求的条件下,优化得到的复合材料身管设计方案,质量指标得到了很好的改善.