连续玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料抗冲击性能研究

制备了连续玄武岩纤维增强的环氧树脂基复合材料靶板,并进行了抗冲击性能测试,研究了影响其抗冲击性能的主要因素及抗冲击机理.结果表明,表面处理会使复合材料抗冲击性能下降;而降低织物面密度、提高纤维体积含量可以使复合材料抗冲击性能得到提高.复合材料靶板的主要能量吸收形式为靶板局部变形、分层和纤维拉伸、剪切断裂及纤维拔脱.     

陶瓷/纤维/阻尼复合靶板抗冲击性能及优化

随着弹体的侵彻能力逐渐增强，复合防弹装甲成为不可或缺的装备之一。基于ANSYS建立了陶瓷/纤维/阻尼复合防弹靶板的冲击有限元模型，揭示了材料参数和几何参数对复合防弹靶板的影响规律，利用多目标遗传算法优化了碳化硅陶瓷/碳纤维/超高分子量聚乙烯纤维/背层阻尼复合防弹靶板结构，并通过实验验证了优化设计结果的可信性。结果表明：同面密度条件下，涂刷一定厚度背层阻尼对靶板防弹性能的提升较为显著；采用遗传算法优化后的复合防弹靶板结构为：6.9mm碳化硅陶瓷/4.8mm碳纤维层合板/6.0mm超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维层合板/1.1mm阻尼，面密度为36.236kg/m²。相同防弹性能条件下，与陶瓷/装甲钢结构靶板相比，优化后的靶板面密度降低超过49%。     

超高韧性水泥基复合材料功能梯度板接触爆炸数值模拟

超高韧性水泥基复合材料(Ultra-High Toughness Cementitious Composites,UHTCC)具有优异的韧性和吸能效果,采用UHTCC和UHPC材料制成的功能梯度板具有优越的抵抗爆炸冲击性能。为了更好地研究UHTCC材料在爆炸荷载下的损伤规律,设计出性能优良的防护结构,该文利用LS-DYNA软件对UHTCC功能梯度板接触爆炸进行了数值模拟。探讨了靶体材料、炸药量、配筋情况、能量吸收层厚度对结构抗爆性能的影响。研究结果表明,UHTCC功能梯度板可以有效减少爆炸荷载下的开坑、震塌以及靶体损伤,同时吸收更多的爆炸冲击波,从而达到优良的抗爆效果。配置拉结筋并合理设置能量吸收层厚度能有效减少靶体损伤。     

SiCP/Al功能梯度装甲板抗侵彻性能的试验与数值模拟

采用粉末冶金方法制备碳化硅陶瓷颗粒(SiC_P)增强金属铝基复合材料板(MMCs), 并采用热压扩散法制备功能梯度装甲板(FGM)。利用高速冲击空气炮系统, 对纯铝靶板和两种不同铺层结构的功能梯度装甲靶板进行侵彻试验, 并利用LS-DYNA软件对侵彻试验过程进行数值模拟分析, 同时考察等厚、 等面密度下SiC颗粒分布对抗侵彻性能的影响。研究结果表明, 功能梯度板的抗侵彻性能比纯铝板好, 而两种不同铺层结构功能梯度板的抗侵彻性能相差不大。数值计算结果与现有试验结果取得了较好的一致, 说明了数值模拟的有效性。从数值计算结果可以看出, 层状功能梯度板比等厚、 等面密度均质复合材料靶板的抗侵彻能力好, 并可近似地认为等厚、 等面密度下多层功能梯度板的抗侵彻性能对颗粒分布不敏感。     

加筋板架和均质靶板抗截卵形动能弹穿甲数值模拟研究

舰舷结构在高速冲击载荷作用下的穿甲是非常复杂的高度非线性动态响应过程,介绍了穿甲过程中的基本理论和MSC/DYTRAN的数值解法,以舰舷结构为目标,对截卵形弹头贯穿均质靶板和加筋靶板的实验过程中的几个典型工况进行了数值模拟研究,研究结果表明,数值方法模拟穿甲过程是可行的。另外,还研究不同屈服应力和硬化模量的靶板材料、板厚和弹体初速度对弹体剩余速度和靶板能量吸收的影响。     

2D、3D织物结构对STF/UHMWPE复合材料高速冲击性能影响的研究

为了探究2D、3D织物结构对剪切增稠液体(STF)/超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料高速冲击性能的影响,分别使用2D UHMWPE织物和3D UHMWPE织物与STF复合,制备STF/UHMWPE复合材料,再分别与UD布结合制备3组靶样。A组为纯UD布靶样;B组为UD布STF/UHMWPE(2D)复合材料靶样;C组为UD布STF/UHMWPE(3D)复合材料靶样,并对3组靶样进行高速冲击实验。实验结果表明:STF/UHMWPE(2D)复合材料在高速冲击实验中性能更好,复合材料在径向上吸收能量的能力强于纵向。     

弹体头部形状对碳纤维层合板抗冲击性能影响实验研究

为研究弹体头部形状对碳纤维层合板抗冲击性能的影响,利用一级气炮发射卵形头弹、半球形头弹和平头弹,对2 mm厚碳纤维层合板进行了冲击实验。利用公式拟合处理实验数据,揭示弹体头部形状对靶板弹道极限与能量吸收的影响,并且分析靶板冲击损伤形貌及机理特征。研究结果表明:平头弹弹道极限最高,半球形头弹次之,卵形头弹最低。弹体在低速度冲击时,弹体头部形状对靶板能量吸收率的影响更为显著。平头弹冲击时,靶板迎弹面受到均匀分布的环向剪切力,纤维同时被剪切,基体发生大面积剪切破坏。半球形头弹冲击时,靶板迎弹面受到非均匀分布的剪切力和挤压作用,纤维发生剪切断裂和拉伸断裂,基体发生剪切破坏和挤压破碎。卵形头弹冲击时,纤维发生单一的拉伸断裂,而基体则发生挤压破碎。弹体头部形状对靶板损伤的影响主要集中在迎弹面和中部纤维层。     

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。     

纤维增强复合材料三明治板的破片穿甲实验

研究了钢板-纤维增强复合材料板-钢板构成的三明治结构对破片的防护性能。通过破片模拟弹丸(FSP)高速撞击不同结构三明治板实验, 获得FSP弹丸贯穿16种三明治板的弹道极限, 分析结构特征对纤维增强复合材料三明治板比吸收能的影响。结果表明, 叠层芳纶、玻纤基三明治板较单层结构三明治板比吸收能分别提高了8.31%和16.09%, 8 mm面板+8 mm夹层+6 mm背板芳纶、玻纤基三明治板较4 mm面板+8 mm夹层+10 mm背板的芳纶、玻纤基三明治板比吸收能分别提高了37.72%和25.35%; 芳纶、玻纤基三明治板的比吸收能均随复合材料夹层厚度的增加呈指数递增, 夹层基板的抗拉性能是影响三明治板比吸收能的重要因素; 同面密度下, 厚面板、薄背板及多层叠合夹层结构的三明治板具有更高的比吸收能。     

Armor-piercing experiment on fragment against sandwich plate with fiber reinforced composite cores

研究了钢板一纤维增强复合材料板一钢板构成的三明治结构对破片的防护性能。通过破片模拟弹丸（FSP）高速撞击不同结构三明治板实验,获得FSP弹丸贯穿16种三明治板的弹道极限,分析结构特征对纤维增强复合材料三明治板比吸收能的影响。结果表明,叠层芳纶、玻纤基三明治板较单层结构三明治板比吸收能分别提高了8．31％和16．09％,8mm面板＋8mm夹层＋6mm背板芳纶、玻纤基三明治板较4mm面板＋8mm夹层＋10mm背板的芳纶、玻纤基三明治板比吸收能分别提高了37．72％和25．35％;芳纶、玻纤基三明治板的比吸收能均随复合材料夹层厚度的增加呈指数递增,夹层基板的抗拉性能是影响三明治板比吸收能的重要因素;同面密度下,厚面板、薄背板及多层叠合夹层结构的三明治板具有更高的比吸收能。     

高强型聚酰亚胺纤维增强热塑性树脂基复合材料防弹性能研究

采用S35高强型聚酰亚胺(PI)纤维作为增强体，热塑性树脂作为基体，采用热压工艺制备了织物结构和正交单向无纬(UD)结构复合材料靶板，通过弹道极限速度测试和背部变形测试，研究了增强体结构和界面结合强度对PI纤维增强热塑性树脂基复合材料防弹性能的影响。结果表明：高强型聚酰亚胺纤维表现出了优异的防弹性能；UD结构靶板更适用于防铅芯弹；织物结构靶板更适用于防破片；当界面剥离强度由5.45N/cm提高到26.44N/cm时，剥离后界面处的纤维表面形貌的破坏程度逐渐增加。当侵彻体为5.6g铅芯弹时，随着界面剥离强度的提高，复合材料靶板的防弹性能呈现出先提高后降低的趋势；并且靶板的背部变形逐渐减小，进一步证明了界面结合强度对复合材料靶板防弹性能的影响。     

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。     

对位芳香族聚酰胺纤维/环氧树脂复合材料防弹性能及其破坏机制

为研究对位芳香族聚酰胺纤维/环氧树脂（Epoxy resin,EP）复合材料的防弹性能及其破坏机制,采用铅芯弹侵彻复合材料靶片。以对位芳香族聚酰胺纤维作增强纤维,EP作基体树脂,纳米SiO₂和聚乙烯醇缩丁醛（Polyvinyl butyral,PVB）作增韧剂,通过热压工艺制备单向（Unidirectional,UD）结构的对位芳香族聚酰胺纤维/EP复合材料靶片。研究单片纤维面密度、UD片材结构、射击角度和树脂改性对靶片防弹性能的影响;观察弹击实验后靶片的破坏形貌,分析靶片的破坏机制。研究结果表明:对位芳香族聚酰胺纤维/EP复合材料具有优异的防弹性能,随着单层纤维面密度的增大,靶片的防弹性能呈现整体上升、局部上下波动的变化趋势;铺层方式为0°/90°/0°/90°的四层单UD片材（4UD）结构的防弹性能优于铺层方式为0°/90°的两层单UD片材（2UD）结构;角度射击时,靶片的穿透比率更大,背衬凹陷深度（Back face signature,BFS）比率更小;PVB增韧改性EP提升了靶片的防弹性能;纤维拉伸变形破坏、片材分层和基体树脂碎裂是复合材料靶片主要的吸能方式。      

刚性钝头弹体正贯穿中厚金属靶的挤凿块速度模型

从挤凿破坏机理出发,考虑了能量守恒定律和剪切冲塞模型,提出了适用于刚性钝头弹体(平头、半球形头、球形)正贯穿中厚金属靶的挤凿块速度模型。设计了穿甲实验,以直径8 mm钨球正冲击3 mm厚GH4169靶板,得到了球形弹体相应的挤凿块数据,结合文献中平头和半球形头弹体实验数据验证了挤凿块速度模型的适用性,模型计算结果与实验数据一致性良好。提出的挤凿块速度模型可用于计算挤凿块对靶后目标的毁伤能力。     

结构形式对舰船舷侧复合装甲结构抗穿甲性能的影响研究

为探讨结构形式对舰船舷侧复合装甲结构抗穿甲性能的影响,采用均质钢板前置和后置复合材料板分别模拟舰船舷侧外设和内设复合装甲结构,结合低速弹道冲击实验,分析和比较了两种结构形式组合靶板的穿甲破坏模式和抗弹吸能能力。在此基础上,得到了球头弹穿透后置组合靶板的剩余速度理论预测公式,并与试验结果进行了比较。结果表明,两种组合靶板中复合装甲板破坏模式的差异主要体现在迎弹面纤维剪切断裂的程度,而均质钢板则由于复合装甲板的影响,呈现出完全不同的破坏模式;后置组合靶板的抗弹吸能能力要大于前置组合靶板;将弹丸穿透后置组合靶板的剩余速度理论预测值与实验结果进行比较,两者吻合较好。     

GCr15弹丸冲击不同厚度GH4169板的变形与破坏模式试验研究EI北大核心CSCD

为理解航空发动机包容机匣用镍基高温合金GH4169遭受高速冲击载荷时的动态力学特性,采用GCr15硬质合金弹丸,利用一级空气炮试验装置对不同厚度(2 mm、3 mm、5 mm、6 mm)的GH4169靶板进行了弹丸速度从96.7~314.2 m/s的弹道冲击试验,对冲击载荷作用下靶板的变形、破坏模式和失效机理进行了系统的试验研究。结果表明:在试验冲击速度范围之内,随着靶板厚度的增加,靶板的变形模式逐渐由拉伸与弯曲主导的蝶形变形转变为局部的剪切变形;同时靶板的破坏模式由花瓣形损伤与冲塞共存模式向单一剪切冲塞模式转变;随着冲击速度的增加,靶板对弹丸动能的吸收能量是逐渐增加的,但在临界穿透速度时出现一个拐点,使得靶板被击穿后吸收能能量的增速变缓,表明靶板被穿透破坏后降低其的吸能能力;当冲击速度为临界穿透速度时靶板变形挠度达到最大值;冲击后靶板的花瓣裂纹数量与弹体速度呈线性关系。当入射速度为284 m/s时,与试验结果比较,修正后R-I公式预测弹丸剩余速度比未修正的结果精度提高7.01%。     

Ti/Al3Ti金属间化合物基层状复合材料抗侵彻性能数值模拟

采用LS-DYNA非线性有限元软件对Ti/Al₃Ti金属间化合物基层状（MIL）复合材料靶板的弹道侵彻过程进行了数值模拟。考察了等厚度下Ti体积分数、层数和材料梯度分布对复合材料抗侵彻性能的影响。结果表明,Ti体积分数约为20%时,靶板的抗侵彻性能最好。随着层数的增加,复合材料靶板的抗侵彻性能逐渐增强;但超过25层后,靶板的抗侵彻性能逐渐趋于稳定。不同铺层结构功能梯度板的抗侵彻性能相差较大,正向铺层梯度板的抗侵彻性能明显优于等厚均质复合材料靶板。     

莫来石／环氧树脂纳米复合材料制备及其拉伸力学性能研究

用机械搅拌和超声波分散相结合的实验方法制备了莫来石／环氧树脂纳米复合材料，通过透射电镜照片分析得出纳米莫来石的最佳填充量，拉伸实验数据表明，最佳填充的莫来石／环氧树脂纳米复合材料的拉伸强度有显著提高。     

冲击载荷作用下平板玻璃穿孔机理

玻璃作为采光材料、广泛应用于建筑物、车船、家具等，但玻璃是典型的脆性材料，极易破坏。在冲击载荷作用下，玻璃板破坏形式常常与动载荷的作用类型有直接关系，可分为简单破碎、混合破碎和穿孔。本文利用弹击实验在附有PVC复合材料背板的玻璃面板成孔，记录在冲击载荷作用下玻璃面板的穿孔情况，利用Hertz理论，给出了冲击载荷作用下玻璃面板中的应力分布，分析了玻璃破碎锥角的形成机理；给出了在同等实验条件下，不同厚度玻璃／PVC板构成的层合靶板，玻璃面板厚度与破碎锥角的关系。     

Kevlar-129纤维复合材料抗侵彻性能数值模拟

采用AUTODYN有限元软件,数值模拟了不同初速度下FSP破片对10 mm厚Kevlar-129纤维复合靶板的侵彻过程,获取了不同初速度下破片侵彻靶板后的剩余速度,计算了芳纶复合靶板的弹道极限,并将该值与弹道测试试验数据进行了对比.此外,研究了破片侵彻纤维复合靶板深度与破片初速度的关系.结果显示,Kevlar-129纤维复合材料弹道极限的数值模拟值与弹道实验测试值相吻合;破片初速度小于320m/s时,破片剩余速度随着破片初速度的增加而减小;破片初速度大于320m/s时,破片剩余速度随着破片初速度的增加而增大;破片初速度小于靶板的弹道极限时,破片侵彻靶板的深度随着破片初速度的增长呈二次函数增长.