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。      

玄武岩纤维平纹织物约束建筑固体废弃物颗粒力学性能及吸能特性

为探索建筑固体废弃物再利用的新方式,提出玄武岩纤维平纹织物约束建筑废弃物散体颗粒组合结构,并采用准静态单轴压缩试验对其力学性能、吸能特性等方面进行研究.研究分别讨论了建筑固体废弃物颗粒种类、建筑固体废弃物颗粒的粒径级别、玄武岩平纹织物约束层数对其响应过程、破坏形式、荷载传递、能量吸收的影响,结果表明:单层玄武岩纤维平纹...     

平纹织物复合材料的弹性模量预测

利用细观力学的代表体积元(RVE)法,预测了平纹织物复合材料的弹性模量。建立了表征RVE形态的数学模型,分析了细观结构与宏观性能之间的关系,编制了从组分材料的弹性性能推测复合材料的弹性性能的预测程序。对理论预测进行了实验验证,理论值与实测值在一定误差范围内能较好吻合,说明此预测方法具有一定的可靠性。     

超高分子量聚乙烯纤维平纹织物-单向布混合堆叠板的防弹机制

柔性防弹衣具有隐蔽性好、穿着舒适的优点,而采用平纹与单向（UD）布杂化结构具有更好的防护效果。本文采用三层超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维平纹织物（A）和两层Dyneema^?SB51 UD布（B）组成AAABB和BBAAA两种混合靶板,通过弹道实验比较两种排列方式的防弹性能差异。结果表明,将平纹织物在前UD布在后能大幅提升整块板的防弹性能,能量吸收比后者高约20%。进一步采用有限元模拟来阐明其防弹机制,模拟结果表明将平纹织物放在面层不易被切断,使得平纹织物层发生更大的形变,也使后面的UD布发生大面积形变,吸收大量能量。而UD布放在前面层易产生的切力破坏,失去对后面层的作用。而平纹织物在后层容易发生滑移,且形变纵深过大,不利于防弹保护。该研究结果阐明了平纹织物和UD布不同顺序堆叠时的防弹机制,为进一步优化设计该类柔性防弹衣提供了坚实的理论基础。     

预定型平纹织物的剪切模型

预定型织物是一种用于纺织复合材料液态成型的新型材料, 可以提高复合材料构件的形状精度和尺寸精度。由于织物中存在定型剂, 使织物材料的性能发生改变。基于像框剪切试验, 建立预定型平纹织物剪切变形的理论模型。与干态织物相比, 重点分析了预定型织物中纱线的弯曲刚度和纱线摩擦系数的变化对剪切性能的影响; 同时模型中考虑了剪切过程中纱线轴向力的变化对剪切性能的影响。另外, 利用立式显微镜观察了在纱线挤压阶段纱线宽度变化的规律, 考虑了定型剂和织物结构对纱线宽度变化的影响。根据平衡方程得到预定型平纹织物的剪切模型, 通过与试验结果比较, 该模型可以较好地预测预定型平纹织物的剪切变形性能。      

压边力对非平衡平纹机织物预制体成型作用规律

为研究压边力对非平衡玻璃纤维平纹机织物预制体铺覆成型的作用规律,针对非平衡平纹机织物在成型过程中的大变形特征,基于非正交材料本构,建立织物面内材料变形本构模型;同时考虑面外弯曲刚度,结合壳单元,建立织物的膜(面内变形)-壳(面外变形)双层模型;利用商业有限元软件ABAQUS,结合实验方法,研究织物在不同压边力条件下的成...     

累计冲击荷载作用下GFRP-混凝土组合梁动态响应分析

为探究玻璃纤维复合材料(glass fiber reinforce plastic, GFRP)-混凝土组合梁在多次落石冲击荷载下的动态响应,采用摇臂式落锤试验机,对1根纯GFRP梁及4根GFRP-混凝土组合梁进行累计冲击试验,得到了不同工况下试验梁位移、冲击力、应变时程曲线及裂缝开展状态,并分阶段讨论了梁体损伤演化过程。试验结果表明：纯GFRP梁具有优异的抗冲击性能,但冲击荷载作用下变形过大;组合梁的破坏特征均为混凝土主裂缝贯通,GFRP-混凝土界面发生剥离,良好的界面黏结性能是确保GFRP-混凝土组合梁抗冲击性能提升的关键;竖向冲击荷载下,混凝土厚度的增大,可明显减小同一冲击高度下梁体跨中的变形响应;试验梁抵抗侧向冲击的能力优于其抵抗竖向冲击的能力。采用显示动力分析软件LS-DYNA建立了GFRP-混凝土组合梁累计冲击模型,并基于该模型分析了冲击锤质量、冲击速度及截面高度比等参数对GFRP混凝土组合梁动态响应的影响规律。     

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。     

半球形头弹不同角度冲击下编织复合材料板的侵彻特性

利用一级气炮发射半球形头弹冲击2 mm厚的编织复合材料层合板,冲击角度为0°、30°和45°,通过高速相机记录弹靶撞击过程并得到弹体速度数据。利用拟合公式处理试验数据,得到不同冲击角度时的弹道极限值,并和理论模型结果进行对比。分析了冲击角度对靶板弹道极限、能量吸收率和失效模式的影响。结果表明：45°斜冲击时的靶板弹道极限最高,正冲击次之,30°斜冲击最低。相同冲击能量时,45°斜冲击的能量吸收率最高,低能量（<80 J）冲击时,30°斜冲击比正冲击能量吸收率高,高能量（>80 J）时,正冲击更高。正冲击时,靶板正面因剪切失效而形成圆形凹坑,背面因纤维拉伸失效形成菱形鼓包,斜冲击形成椭圆形扩孔,且其面积随冲击角度增加而增加。     

蜂窝纸板异面动态冲击性能的实验分析

目的以六边形蜂窝纸板为研究对象,研究厚度对其异面冲击性能的影响。方法通过动态冲击实验来分析接触力、最大接触力、最大位移、最大应变、吸收能与单位厚度冲击能之间的关系,研究厚度为30,40,50和60 mm等4种蜂窝纸板的异面冲击力学性能。结果当冲击能一定时,随着蜂窝纸板厚度的增加,接触力逐渐减小,接触时间逐渐变长;当单位厚度冲击能一定时,厚度与最大位移和吸收能成正比例关系,厚度与接触力、最大接触力、最大应变成反比例关系;对于任一厚度的蜂窝纸板,最大接触力、最大位移、最大应变、吸收能随单位厚度冲击能的增加而增加,且与其呈线性关系。结论当冲击能相同时,不同厚度蜂窝纸板的吸收能几乎相同,可知蜂窝纸板吸收能量的能力与蜂窝纸板的厚度无关,取决于冲击能量的大小。     

内含气体对蜂窝纸板异面动态冲击性能的影响

目的以六边形蜂窝纸板为对象,研究内含气体对其异面冲击性能的影响。方法通过动态冲击实验分析内含气体对接触力、最大接触力、最大位移、最大应变和吸收能的影响,得出不同孔隙率时,蜂窝纸板的接触力-时间曲线,最大接触力、最大位移、最大应变、吸收能与冲击能曲线和吸收能-孔隙率曲线。结果在给定冲击能的情况下,最大接触力与吸收能随着孔隙率的增大而减小,最大位移及最大应变随着孔隙率的增大而增大。在孔隙率一定时,最大接触力、最大位移、最大应变和吸收能随冲击能线性增大。此外,冲击能越大,接触力达到峰值的时间越短,接触持续时间越长。结论在动态冲击实验中,内含气体使蜂窝纸板吸收冲击能的能力明显增强,并且当冲击能一定时,孔隙率越大,蜂窝纸板越容易被压变形,吸收能越少。     

成层式铝蜂窝夹芯结构冲击响应试验研究

以牺牲层设计为背景,提出一种成层式铝蜂窝夹芯结构。通过两种能级的落锤冲击试验,得到不同组合试件的局部冲击响应结果。根据能量吸收、荷载峰值、冲头位移和背板挠度的对比分析,得出以下结论:结构在相对较低能级(17~83J)的冲击作用下,除了永久塑性变形,也伴随着一定的弹性变形;同时,在芯层质量相同的前提下,可优先选择胞元较小、高度较低的蜂窝作为单层结构的芯层;全贯穿临界值应当介于83~119J之间,在设计牺牲层时,局部冲击的极限能量设计值应当低于该临界值;芯层的相对密度对抗局部冲击性能的影响较为明显;根据牺牲层的设计标准,在本文的局部冲击试验研究范围内,AB、BA、ABA型结构在综合指标上具有相对优势。研究结果可为成层式铝蜂窝夹芯结构在防护工程中的应用提供参考。     

球体斜碰撞下包装材料能量传递及转换的试验研究

目的 针对在球体斜碰撞过程中,包装材料界面能量变化及其量化表征的问题,基于碰撞接触面的几何特征,提出外加能量吸收率、传递率和转换率的计算模型。方法 首先,分析球体斜碰撞接触面的几何特征,利用基圆和滑移面面积建立能量吸收率、传递率,以及不同方向能量比率的数学表达式。然后,通过搭建球体自由跌落斜碰撞测试平台,分析冲击角、衬垫厚度、跌落高度、球体直径和材料密度对能量参量的影响。结果 通过碰撞接触面积计算能量吸收率和转换率,遵循了能量守恒定律,具有可行性;能量吸收率在75%以上,并随着跌落高度、球体直径和密度增加而变大,而冲击角对能量吸收率的影响较小;法向能量比率随着冲击角增加、球体直径减小而下降,切向能量比率与此相反,跌落高度和密度对能量比率无明显影响;在给定工况下,衬垫的最佳吸能厚度为4 mm。结论 文中的分析有助于包装材料碰撞界面处能量变化以及接触特性的研究。     

Influence of Matrix Ductility and Fibre Architecture on the Repeated Impact Response of Glass-Fibre-Reinforced Laminated Composites

This paper describes the results of falling weight impact tests on glass-fibre-reinforced laminates. The test program consisted of (i) falling weight impact tests for the determination of the penetration energy and the influence of laminate construction on damage development and (ii) repeated falling weight impact tests for the determination of the impact fatigue lifetime and damage development under repeated impact conditions at sub-penetration energy levels. The objective of this work is to compare the impact behaviour of cross-ply laminates based on a brittle unsaturated polyester resin and a more ductile vinyl ester resin system and two types of glass reinforcement, i.e. woven- and multiaxial non-crimp fabric. The penetration energy of the various composite laminates appeared to be mainly influenced by the type of reinforcement, whereas damage development during (repeated) impact is strongly influenced by both fibre architecture and resin. No significant effect of the different material parameters investigated on the number of impacts to penetration (impact fatigue lifetime) is observed. Especially when the repeated impact energy is normalised with respect to the penetration energy, all laminates showed similar behaviour.     

薄壁扁球壳在撞击载荷下的动态响应和吸能特性研究

对薄壁扁球壳结构撞击刚性板的动态响应和吸能特性进行了研究。通过不同材料特性和撞击速度下半径R与厚度t比值较大（R／t〉250）的扁球壳与刚性板的撞击试验，分析了此类球壳结构的动态响应和吸能特性。以能量守恒为基础，结合大变形薄壳理论和塑性铰方法，建立了撞击力与变形关系、撞击初速度与最大压缩位移的理论分析模型。通过理论计算和试验结果的对比，验证了理论分析模型的正确性，可以满足工程分析的需要。     

复合材料加筋壁板低速冲击响应与冲击能量关系

基于ABAQUS有限元软件,采用Hashin损伤准则建立了一种有效的复合材料加筋壁板低速冲击模型。分析了接触力、加筋壁板吸收能量和损伤散逸能对冲击响应的影响。结果表明:随着冲击能量的增大,接触力峰值前移,且冲击后板吸收能量与损伤散逸能的差值变大。落锤冲击实验表明,低速冲击能量下损伤程度与冲击能量正相关。对比了损伤区域的仿真结果和实验结果,发现二者拟合较好。     

发泡聚丙烯材料的动态力学行为研究

目的研究发泡聚丙烯材料的厚度对其冲击性能的影响。方法对4种不同厚度的发泡聚丙烯材料进行动态压缩试验,分析其接触力、最大位移、最大应变以及吸收能,研究动态条件下发泡聚丙烯材料的力学性能。结果当冲击能一定时,增加发泡聚丙烯材料的厚度,其接触力会逐渐减小,接触时间会逐渐增加;冲击能和厚度一定时,厚度与最大位移、吸收能成正比例相关,但对最大接触力和最大应变无明显影响;任意厚度的发泡聚丙烯材料,其冲击能和厚度的增加会导致其最大接触力、最大位移、最大应变、吸收能的增加。结论在研究的冲击能量和厚度范围内,吸收能不受发泡聚丙烯材料厚度的影响,由冲击能决定。     

Impact energy absorption characteristics of composite structures

The tensile and compressive tests of glass–epoxy composites with 1–200 s⁻¹ strain rates which are typical strain rate range during automobile crash accidents were performed in order to measure the strength variation with respect to strain rate. The tests were performed using both a horizontal type pneumatic impact tester and a conventional dynamic universal test machine with strain-rate-increase mechanisms. Also, the impact energy absorption characteristics of glass fiber reinforced composites were estimated using the newly proposed progressive impact fracture model. From the experiments and predictions, it was found that the proposed method predicted relatively well the experimental results.     

舰船设备冲击动力响应在不同边界条件下的比较

针对舰船设备抗冲击的具体情况，建立了模型舰船及附链水的三维有限元模型。计算了考虑流固耦合作用，舰船在不同边界条件下受到冲击时的瞬态动力响应。计算表明，可以建立舰船的部分模型，通过合理地确定其边界条件，得出较为真实的仿真计算结果。