高g值载荷作用下离散颗粒增强复合材料损伤特性研究

针对钻地弹攻击地下深层目标过程中,战斗部离散颗粒增强复合材料装药提前起爆现象进行高g值加载条件下的损伤形式研究。基于一级轻气炮,应用激光测速系统测量试件击靶前速度,压电传感器监测试件击靶端面应力状态,在Taylor冲击加载下的损伤特性进行试验,分析冲击载荷压力对离散颗粒增强复合材料宏观损伤特性的影响及其细观损伤模式及机理。结果表明:随冲击载荷压力不断增大,细观损伤模式为晶体颗粒表面与黏结剂间的剪切脱黏、孪晶带、穿晶断裂以及黏结剂劈裂等,细观损伤裂纹的加剧引起宏观裂纹产生,裂纹扩展断裂从而导致试件宏观损伤。晶体颗粒剪切脱黏强度模型和裂纹扩展断裂强度模型计算与试验结果基本吻合,为离散颗粒增强复合材料细观损伤机理研究提供重要参考依据。     

拉伸载荷下PBX-9501裂纹产生的数值模拟

高聚物黏结炸药（Polymer Bonded Explosive, PBX）是由占极大体积分数的单质炸药颗粒与少量高聚物黏结剂组成的多相复合材料,其中颗粒与黏结剂的界面脱粘以及细观结构是影响材料力学性能的重要因素。可以通过将随机模拟方法与Voronoi方法相结合,建立细观尺度下PBX材料的代表性体积元进行分析。但当颗粒为多级配时,该方案生成的模型大颗粒周围的颗粒呈条状散射形状,因此本研究在Voronoi方法的基础上改进了PBX细观结构的建模方法。首先根据PBX-9501颗粒与黏结剂的细观界面特性,采用三阶段黏结界面本构关系,对PBX-9501材料在静态拉伸下颗粒与黏结剂界面的损伤演化进行数值模拟,获得的PBX-9501宏观力学性能与实验数据比较吻合,其次对使用有限元隐式静力分析时的收敛性与代表体积元尺寸之间的关系进行讨论,结果表明代表体积元尺寸越大则模拟界面脱粘的收敛性越差。     

黏接剂对DP780和TA1自冲铆接头力学性能的影响

以镀锌DP780高强度钢-钛合金TA1自冲铆接头和镀锌DP780高强度钢-环氧树脂黏结剂-钛合金TA1黏铆复合接头(黏接-自冲铆接)为研究对象,通过分析其载荷-位移曲线、截面成形参数、宏观失效模式,对比两组接头的力学性能。结果表明:黏铆复合接头平均静失效载荷和刚度系数比自冲铆接头分别增大29%、63%;内锁长度增加0.107 mm,残余底厚减小0.453 mm。黏铆复合接头宏观失效模式为铆钉腿拉脱断裂、胶层混合破坏,自冲铆接头失效模式为铆钉腿拉脱断裂。     

高过载下颗粒增强复合材料能量释放行为

为正确认识战斗部装药代用材料爆炸毁伤作用机制,对颗粒增强复合材料在不同冲击载荷速度下的能量释放行为进行研究。基于爆炸试验装置,对颗粒增强复合材料在高过载下的能量释放特性进行试验,监测高压爆炸测试舱内的爆炸应力波,明确能量释放、存储、排放间的规律,探索冲击载荷速度对能量释放量及释放率之间的内在关联。结果表明:当颗粒增强复合材料质量相同,且起爆环境空间体积恒定,装药结构形式相同时,临界起爆速度为273 m/s;继续增大冲击载荷速度,载荷压力使更多的质量起爆,当冲击速度增至637 m/s时,外载荷压力使所有质量起爆,舱内爆炸压力达到最大值。建立的冲击载荷速度对能量释放量及释放率的影响机制模型较好描述颗粒增强复合材料能量释放行为,为深化能量释放特性的多尺度机理研究提供一定的量化依据。     

高应变率下导弹战斗部装药动态力学响应 及细观损伤模式

应用改进的SHPB实验技术实现了常应变率加载,激光测量系统监测实验试件轴向工程应变,高速相机拍摄试件变形过程,确保实验数据的可靠性,进而对导弹战斗部装药在高应变率下的动态力学响应及损伤形式进行实验研究,并结合扫描电子显微镜探索其细观损伤模式与高应变率加载条件的内在关联。结果表明,该导弹战斗部装药具有明显的应变率效应,当其应变值超越0.05时应变率效应显著增强,随着加载应变率的提高,其应力应变曲线应变硬化效应显著增强,由上凸形式变为线性硬化;在860～1 380 s~(-1)加载应变率下,其主要细观损伤形式为颗粒表面与粘结剂剪切脱粘,当加载应变率在1 380～2 300 s~(-1)区间时,充足的冲击波能量迫使晶体颗粒表面产生损伤裂纹,并沿应力集中薄弱路径不断扩展,传播路径错综复杂,进而产生晶体颗粒破碎现象。     

周期性温度对纤维增强复合材料细观损伤影响分析

用Python脚本生成复合材料三维细观力学有限元结构模型以及施加代表性体积单元(RVE)所需的周期性边界条件,运用Abaqus材料子程序UMAT建立材料的损伤模型,研究周期性温度变化下纤维增强复合材料代表性体积单元(RVE)在横向拉伸载荷的作用下组分相损伤的演化过程以及最终产生基体裂纹破坏的趋势。并与文献中的实验结果进行对比,从细观尺度表征了周期性温度变化对横向拉伸载荷作用下复合材料失效模式的影响。从模拟结果可以看出,纤维和基体的热物理性能不同使得纤维牵制基体的热变形,将会加快纤维/基体破坏,直接在垂直于载荷的应力集中区域产生连续界面脱黏。     

高速冲击载荷下钨骨架/Zr基非晶合金复合材料的变形特征

利用自制高速冲击加载试验装置研究了钨骨架／Zr基非晶合金复合材料的室温变形特征。该复合材料在高速冲击载荷作用下的变形特征主要包括钨骨架碎化、Zr基非晶合金软化且沿钨骨架变形的方向发生流动。在剪切断裂面上不同变形带之间有明显的交界线,这些交界线形成剪切带和裂纹。     

落锤冲击加载下炸药基体内不同粒度AP颗粒破碎特征

为研究炸药基体内不同粒度高氯酸铵(AP)颗粒在落锤冲击加载下的破碎特征,用中粒径为6~8,130,300μm的AP制备了三种AP/HTPB样品,用落锤冲击加载损毁样品。回收冲击试验后样品,用扫描电镜(SEM)研究AP颗粒的破碎特征。分析炸药基体内不同粒度AP颗粒在落锤冲击加载下的破碎特征。结果表明,冲击加载后,三种样品内的AP颗粒均发生脆性破裂,部分晶体上清晰可见剪切带现象,且粒度越大颗粒破碎越严重。破碎后AP颗粒尺寸均在10~100μm,最小颗粒小于10μm。结合材料剪切理论、AP颗粒破碎特征和破碎尺度,可推断:在落锤冲击下AP颗粒由于样品内部的剪切作用发生脆性断裂,且AP颗粒破碎尺度特征与材料剪切现象中的剪切带尺寸特征相类似。     

Ti/Al3Ti叠层复合材料冲击损伤建模及失效分析

针对Ti/Al_3Ti叠层复合材料的冲击损伤问题,建立具有界面层的Ti/Al_3Ti叠层复合材料有限元模型。基于仿真技术模拟Ti/Al_3Ti叠层复合材料受子弹冲击时的界面损伤过程,分析冲击载荷作用下Ti/Al_3Ti两相间界面损伤对材料失效形式的影响。结果表明:在Ti/Al_3Ti叠层复合材料被子弹冲击后,表面Ti层剥离较严重,产生径向裂纹及花瓣形开裂等失效形式;在拉伸波作用下,脆性相Al_3Ti产生放射性损伤,同时界面层遭到破坏,导致Ti层和Al_3Ti层发生脱层;随着子弹速度的降低,位于靶板底端的材料塑性变形增加,子弹击穿靶板后,靶板背面材料发生显著的花瓣形变形。     

NEPE推进剂拉伸破坏过程实验研究

为研究NEPE推进剂在拉伸载荷作用下的破坏情况,利用扫描电镜对其在拉伸载荷作用下的细观形貌变化进行了原位观察.结果表明: NEPE推进剂在静态拉伸应力作用下首先在大填充颗粒处出现界面脱粘,形成微裂纹,同时粘合剂被拉成丝状.然后微裂纹沿着附近的大填充颗粒处进行扩展,形成宏观裂纹,同时伴随着粘合剂的断裂,并最终导致NEPE推进剂出现整体断裂.本文进一步利用有限元方法对不同大小填充颗粒在拉伸作用下的受力情况进行了分析,结果表明在相同应变下,大颗粒粘结界面处的应力明显大于小颗粒粘结界面处的应力.因此,认为NEPE推进剂在静态拉伸过程中的主要破坏模式为大填充颗粒处的粘结界面破坏.     

HTPB推进剂脱湿与力学性能的相关性研究

针对载荷作用下影响复合推进剂力学特性的脱湿问题,采用等速拉伸和CCD显微分析的试验方法,研究了不同拉伸速率下的脱湿损伤演化过程。建立了粘弹性本构模型,利用细观力学及界面力学的理论,分析试验测得的宏观力学性能发生发展的内在细观原因。结果表明:颗粒/基体的界面脱湿是宏观应力应变曲线非线性的重要原因,也直接导致材料泊松比的下降;界面脱湿的损伤程度由应变值决定,并与应变率具有一定的相关性,泊松比也是定量表征脱湿的重要参数。     

复合材料层合板抗冰雹冲击性能研究

为研究复合材料蒙皮抗冰雹冲击性能,基于弹塑性模型,考虑应变率强化效应和脆性断裂行为,建立冰雹动态本构模型。根据冰雹撞击传感器实验数据修正冰雹模型参数。通过引入三维Hashin失效准则和内聚力界面元,模拟复合材料的纤维断裂、基体压溃和脱粘分层损伤破坏行为。建立复合材料层合板抗冰雹冲击的数值模型来研究不同冲击速度下的动态响应和损伤特性。数值结果表明:针对复合材料层合板构型,冲击失效阈值能量为232 J;冲击载荷峰值和冲击点位移随冲击速度的增大而增大,但增幅趋缓;分层损伤面积与冲击速度近似呈线性关系;相邻层的铺层角度差为90°时,层间分层现象更为显著。     

钢中绝热剪切带的动态损伤演化

采用大能量高速材料试验机冲击帽形试样的实验方法,研究了高速冲击条件下钢中绝热剪切带的损伤演化机制。试验结果表明,绝热剪切带的形成并不意味着剪切断裂的发生和宏观裂纹的形成。导致剪切带损伤的微观方式主要包括:基体接触区界面上的微裂纹、带内平直微裂纹、剪切带内与带成一定角度的微裂纹和孔洞。在这些微损伤方式的形核、长大过程中,绝热剪切带逐步损伤,宏观裂纹逐步形成。     

RDX晶体特性的设计控制与表征

为研究炸药晶体微结构与宏观性能的关系,我们深入开展了RDX晶体特性研究.首先,采用具有一定统计意义的宏观特征物理量表征了RDX晶体的微结构信息,包括内部组份的非均一性,不同的相含量及分布,内部缺陷及杂质包藏物,晶粒度大小、晶面的取向分布,晶粒的表面及形貌,以及晶粒的尺寸大小分布等,提出了RDX晶体特性的内涵,研究认为RDX的晶体特性包括晶体颗粒特性和晶体内部特性,晶体颗粒特性能反映晶体颗粒之间和晶体表面的信息,如晶体形状、晶体表面的光滑程度、颗粒的大小及分布等;炸药晶体内部特性能反映晶体的内部信息,如晶体内的包藏物和晶格缺陷等.     

冲击载荷下硼酸改性端羟基聚硅氧烷-二氧化硅复合材料的响应特性

为研究硼酸改性端羟基聚硅氧烷-二氧化硅轻质冲击硬化聚合物复合材料抗冲击特性及其机理,进行了单轴压缩、冲击试验;结合高速摄影和数字图像相关技术以及有限元仿真,研究材料的变形过程。结果表明：该材料在准静态载荷下呈黏性流动态,而在动态载荷下呈现固体状态,其流动应力提高了10⁴倍以上;当受到冲击载荷时,材料表现出一定的抗冲击性能,且抗冲击性能随着冲击速度和颗粒含量的提高而增强,材料在冲击过程中处于压力-剪力耦合应力状态,剪力所起作用随着冲击速度提高而逐渐增强;高速摄影结果显示,材料在冲击过程中发生阻塞转变,其中动态压缩导致材料局部硬化并表现出抗冲击特性,剪应力决定了材料抗冲击性能的应变率敏感性。因此,提高材料动态剪切响应是改善材料抗冲击性能的最优途径。     

复合材料身管的动态冲击响应分析

为探究复合材料身管在火药高压动态冲击下的动力学响应,采用有限元方法对纤维增强金属内衬复合结构的损伤过程进行分析,并引入Cohesive黏结单元表征界面黏结条件。在此基础上,进一步建立了考虑界面黏结特性的复合结构身管动态冲击有限元模型。利用VDLOAD子程序实现了对身管的动态加载,分析了缠绕预应力和脱黏对复合身管应力-应变传递规律的影响,并与实验数据进行了对比分析。结果表明:界面脱黏会破坏结构整体性,影响应力-应变传递规律,大幅降低身管的承载能力,一定的缠绕预应力可以增强复合身管结构的整体性,从而提高其承载能力,而过大的预应力会加快其整体发生损伤。     

复合材料天线结构低速冲击损伤与剩余强度

共形承载复合材料天线结构兼具力学承载和微波通信功能，由于其高度集成化和多功能化特点，应用前景广阔，但在制造和维修过程中极易受外来物的低能量冲击产生损伤。本文采用热压罐成型和二次胶结工艺制备以玻璃纤维增强复合材料为面板、以PMI泡沫为芯材并嵌入天线器件的复合材料天线结构。并对其开展低速冲击及冲击后压缩试验研究，对比含天线和不含天线两种结构的损伤特性与冲击后剩余压缩（CAI）强度。结果表明：与普通泡沫夹芯结构相比，复合材料天线结构的凹坑深度、冲击位移和背面纤维束拔出高度均减小，表明损伤阻抗能力增强；峰值载荷显著增加，100 J冲击能量下的峰值载荷为5.79 kN，增加了25.32%；压缩强度和CAI强度显著提高，压缩强度提高了28.87%,CAI强度提高超过113.08%；冲击破坏模式由整体贯穿及芯体大面积断裂变为芯体局部压溃、天线单元塑性变形及与泡沫夹芯大面积脱胶。     

防护建筑用钢基复合材料摩擦学性能研究

以WC颗粒增强高铬钢基表面复合材料、钛颗粒增强Al2O3p/45钢基复合材料为例,在不同滑动速度、载荷下,用型号为MMU-5G屏显型端面高温摩擦磨损测试机测试材料的摩擦学性能(主要通过摩擦因数与磨损率体现).结果表明:不同滑动速度下,WC颗粒增强高铬钢基表面复合材料的摩擦因数小于高铬钢,Ti-Al2O3p/45钢复合材料的摩擦因数小于Al2O3p/45钢复合材料;不同载荷下,WC颗粒增强高铬钢基表面复合材料的磨损率均小于高铬钢,Ti-Al2O3p/45钢复合材料的磨损率小于Al2O3p/45钢复合材料.对比之下,WC颗粒增强高铬钢基表面复合材料、Ti-Al2O3p/45钢复合材料的耐磨性更好.     

低速撞击下JO-8和B炸药的响应特性

采用30 kg小落锤对JO-8和B炸药进行了低速撞击加载试验,并对撞击过程和试验后样品分别进行了高速摄影和扫描电镜分析。撞击试验发现JO-8炸药的临界点火阈值为360 N,B炸药的阈值为300 N,这表明JO-8炸药具有更高的抗撞击能力;高速摄影发现两种炸药均经历冲击、塑性流动、飞散、反应等阶段,反应在炸药损伤后发生,JO-8炸药的反应滞后于B炸药;扫描电镜表明,B炸药在低速撞击下的损伤模式以界面脱粘、沿晶断裂为主,JO-8炸药以剪切变形和穿晶断裂为主。B炸药的制备工艺决定了TNT包裹RDX的微观结构,而TNT具有较低的晶体力学性能,导致其在加载下首先发生断裂;JO-8炸药的制备工艺决定了粘结剂包裹HMX晶体的微观结构,粘结剂改善了炸药晶体的脆性特征,致使JO-8炸的损伤模式不同;与B炸药相比,JO-8炸药发生点火延滞的原因在于JO-8炸药具有更高的压缩强度。     

低温下叠氮聚醚推进剂冲击损伤特性与动态力学性能

利用仪器化落锤冲击试验机在-40℃下对叠氮聚醚推进剂进行了冲击加载模拟实验,通过X射线微层析成像技术(X-μCT)表征了推进剂的冲击损伤特性,并采用动态力学分析研究了叠氮聚醚推进剂在不同加载频率下的动态力学性能。结果表明,叠氮聚醚推进剂动态力学参数表现出显著的加载频率依赖性,当加载频率由1 Hz增大至20 Hz时,其玻璃化转变温度由-38.1℃升高至-23.1℃;相应测试条件下,推进剂试样在冲击加载能量不低于2 J时发生断裂,未冲断推进剂无宏观裂纹产生,但其内高氯酸铵(AP)颗粒已部分破碎;被冲断试样冲击曲线中包含不稳定裂纹扩展过程,表明叠氮聚醚推进剂在低温下具有一定的脆性材料特征,推测其损伤模式为含缺陷的AP颗粒首先发生穿晶断裂,初始微裂纹扩展于基体中并相互贯通扩大,最终导致试样断裂。