泡沫铝夹芯板压入和侵彻性能的实验研究

利用MTS和落锤试验机研究了由复合材料面板和闭孔泡沫铝芯层组成的夹芯板结构在压入和侵彻时的变形和失效行为,并通过引入无量纲参数——能量吸收效率因子,探讨了一些关键参数对夹芯板压入和侵彻性能以及能量吸收性能的影响,如冲击能量、面板厚度、芯层厚度及相对密度、压头/锤头形状和边界条件等。结果表明夹芯板的破坏主要集中在压头作用的局部区域内。夹芯板的能量吸收效率对其结构参数比较敏感,增加上层面板厚度、芯层厚度或芯层相对密度能够有效地提高夹芯板结构的能量吸收能力以及抵抗压入和侵彻的能力,而下层面板厚度的对夹心板抗侵彻性能的影响不明显。不同的压头/锤头形状和边界条件对泡沫铝夹芯板的压入和侵彻响应以及能量吸收性能影响明显。     

间隙对A3钢薄板抗卵形头弹侵彻性能影响的实验研究

为了分析板间间隙大小对双层板失效模式以及抗侵彻性能的影响,本文利用轻气炮进行了卵形杆弹正撞击单层板和等厚双层板的实验研究,得到了各种结构靶体的初始-剩余速度曲线和弹道极限速度。实验表明,对于卵形弹,单层板的弹道极限高于双层板的弹道极限,包括接触式和间隙式。当总厚度一定时,多层板的弹道极限随分层数目的增加而减小。此外,间隙大小对间隙式双层板的抗侵彻性能影响小,并且随着弹体初始速度的增加而减小。     

碳纤维编织复合材料层合板抗侵彻性能研究

通过弹道冲击实验开展了碳纤维编织复合材料层合板的抗侵彻性能研究，进行了动态响应分析和损伤模式分析。建立了基于Hashin失效和Yeh分层失效准则的渐进损伤模型，运用ABAQUS有限元软件模拟了碳纤维编织复合材料层合板的侵彻失效过程，采用Lambert-Jonas公式拟合了柱状弹侵彻层合板弹道极限曲线，对比分析了碳纤维编织复合材料层合板侵彻实验与数值模拟的弹道极限速度及损伤形貌。结果表明，层合板侵彻损伤模式主要为分层、纤维断裂和基体开裂失效，弹道极限速度数值模拟结果与实验结果吻合较好。     

超弹性夹芯覆盖层抗冲击性能分析及实验研究

对超弹性橡胶夹芯覆盖层抗冲击性能进行了分析。从夹芯覆盖层取一个单胞,对其在中低速冲击下波的传播,冲击能量的缓冲进行了深入研究,进一步明确了超弹性橡胶夹芯覆盖层抗冲击机理。建立了有限元计算模型,试验与仿真结果一致表明,初始缺陷是影响芯层动力学响应的一个重要因素,惯性效应是导致超弹性橡胶夹芯覆盖层平台应力大幅度上升的主要原因,夹芯覆盖层抗屈曲性能能够提升结构对冲击载荷的缓冲作用。     

Kevlar层合材料抗弹性能研究

以Kevlar纤维增强层合材料为对象,通过系列弹道冲击实验,研究了层合板的抗弹性能,着重分析了弹头、纤维铺设方式以及板厚等因素对靶板抗侵彻能力的影响,同时对靶板的破坏模式也作了必要的讨论。此外,还通过一种工程近似方法,分析了不同弹头弹丸的弹道极限速度,预测值与实验值具有良好的一致性。     

Q235钢单层板对平头刚性弹抗穿甲特性研究

采用撞击实验和理论模型对单层金属板的抗侵彻性能进行了研究,分析了靶体厚度对抗侵彻性能的影响。通过对比撞击实验和理论模型计算结果,验证了理论模型和参数的有效性。结果表明,采用合适的理论模型能够有效地预测靶板在弹体撞击下的弹道极限。此外,分析了靶体在弹体撞击下的塑性变形总耗能,包括靶板局部变形和整体变形的耗能,同时考虑了靶体材料的应变率效应。在平头弹撞击厚靶的工况中,引入了一个修正函数对靶体厚度进行修正。     

复合材料层合板侵彻行为的研究

采用显式有限元软件ABAQUS/Explicit模拟了纤维增强复合材料层合板的侵彻行为。重点分析了弹头形状、纤维铺设方式、层数等因素对层合板抗弹性能的影响,给出了层合板在不同弹头冲击下的侵彻破坏特征和模态,获得了弹道极限速度。模拟结果与理论计算结果及已有实验结果进行了对比,吻合较好,这可为工程实际提供参考。     

抗破片侵彻钢/芳纶纤维叠层复合结构优化设计方法

针对抗破片侵彻用新型钢/芳纶纤维叠层复合结构优化设计,基于4 mm钢板+12 mm芳纶纤维叠层复合结构、5 mm钢板+10 mm芳纶纤维叠层复合结构抗7.5 g FSP型破片弹道极限速度试验分析,进行了同工况下破片侵彻叠层复合结构的数值仿真计算;在验证数值仿真模型基础上,开展了7.5 g与10.0 g破片对4 mm、5 mm钢板叠加6~16mm芳纶纤维板组合成复合结构侵彻数值仿真,获得了相应的弹道极限速度;根据试验现象和数值仿真结果进行了钢/芳纶纤维叠层复合结构抗破片侵彻机理分析;根据此类复合结构的防护特点,以结构最小面密度为目标函数,建立了适用一定破片质量和撞击速度范围的结构参数优化设计模型;采用所提方法进行了抗撞击速度为1100 m/s的10.0 g破片侵彻的钢/芳纶纤维复合结构实例设计,通过试验验证了优化设计方法的合理性和实用性。     

斜入射下水中隐身夹芯复合材料附体结构声学设计

摘 要：将隐身夹芯复合材料代替附体结构钢质壳板,建立了斜入射条件下水中隐身夹芯复合材料结构的声学模型;从水声波动方程出发,推导了二维空间声波斜入射时的传递矩阵,及带空腔水附体结构的声反射系数和吸声系数表达式;对带空腔水附体结构模型进行了垂直入射声学试验,试验结果与传递矩阵法数值计算吻合较好;对试验模型进行了斜入射下声学性能数值计算,分析了入射角对反射系数和吸声系数的影响;考虑斜入射下夹芯层厚度、密度、损耗因子、及水层厚度等对隐身附体结构声学性能的影响,应用数值方法对水中隐身夹芯复合材料附体结构进行了声学设计,分析了各层材料参数和几何参数对隐身结构反射系数和吸声系数的影响规律。     

弹道冲击下层合板破坏模式及抗弹性能实验研究

以舰用轻型复合装甲研究为背景，针对不同纤维增强种类(包括玻纤织物CA00、C200、SW220和芳纶纤维织物T750)以及不同面密度层合板结构，在6．2g刚性微曲面柱形弹弹道冲击下的防护能力展开实验研究，着重讨论了层合板结构弹道冲击下破坏模式，弹体初始侵彻速度及面密度与抗弹能力和抗弹效率之间的关系，认为不同的破坏模式体现了不同的吸能特性和纤维失效机理．     

Influence of fabric structure and thickness on the ballistic impact behavior of Ultrahigh molecular weight polyethylene composite laminate

This paper presents the influence of fabric structure and thickness on the ballistic impact behavior of Ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) composite laminate. UHMWPE composite laminates, reinforced by three kinds of fabric structures, unidirectional prepreg, 2D plain-woven and 3D single-ply orthogonal woven fabrics, were fabricated via hot pressing curing process. Through a series of standard ballistic tests, we demonstrated that unidirectional composite laminates exhibit higher ballistic impact velocity and absorbed energy capacity compared to others. A bi-linear relationship was found between the ballistic limit velocity and specimen thickness. Furthermore, the dominant failure mechanisms of unidirectional composite laminates were identified to be plugging and hole friction for thin laminates, whereas delamination, fiber tension and bulging for thick ones.     

超高分子量聚乙烯纤维/水性聚氨酯复合材料层压板抗软钢芯弹侵彻性能及其损伤机制

选用碳纳米粒子(CNPs)原位改性和未改性的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维作为增强纤维,水性聚氨酯(WPU)作为树脂基体,采用缠绕-复合-热压工艺制备单向(UD)正交结构的UHMWPE纤维/WPU复合材料层压板。基于X射线计算机断层扫描(CT)技术,研究UHMWPE纤维/WPU复合材料层压板在7.62 mm×39 mm软钢芯弹以弹速为(720±10) m/s侵彻下的弹道响应。结果表明,UHMWPE纤维的CNPs原位改性提高了CNPs-UHMWPE纤维/WPU复合材料层压板抗单发侵彻性能,但会降低其抗多发打击的能力。对于未被穿透的层压板,其被侵彻过程可分为三个阶段,依次为剪切冲塞、断裂破坏和剩余子层的塑性变形,且每个阶段的厚度比依次为11.51%、44.40%和44.09%;层压板的分层响应主要发生在第二阶段,并集中在弹着点附近;每发弹丸侵彻导致层压板的破坏区域包含在以弹着点为圆心、直径约为70 mm的圆内。      

Ballistic Penetration of Dyneema Fiber Laminate

UHMWPE fiber (Dyneema) reinforced composites are an important class of materials for armors.These materials provide superior ballistic performance to the armor, such as the military armor systems requiring a reduction in back-armor effects or a substrate for hardened facings of steet or ceramic. The reported work characterized the ballistic impact and mechanical performance of Dyneema fiber in composite laminates. The capability of the laminate to absorb ballistic impact energy was influenced by the impact velocity and the laminate areal density. Two kinds of penetration were compared and a two-step model for the penetration was proposed.     

Impact analysis of fiber reinforced polymer honeycomb composite sandwich beams

Large scale fiber reinforced polymer (FRP) composite structures have been used in highway bridge and building construction. Recent applications have demonstrated that FRP honeycomb sandwich panels can be effectively and economically applied for both new construction and rehabilitation and replacement of existing structures. This paper is concerned with impact analysis of an as-manufactured FRP honeycomb sandwich system with sinusoidal core geometry in the plane and extending vertically between face laminates. The analyses of the honeycomb structure and components including: (1) constituent materials and ply properties, (2) face laminates and core wall engineering properties, and (3) equivalent core material properties, are first introduced, and these properties for the face laminates and equivalent core are later used in dynamic analysis of sandwich beams. A higher-order impact sandwich beam theory by the authors [Yang MJ, Qiao P. Higher-order impact modeling of sandwich beams with flexible core. Int J Solids Struct 2005;42(20):5460–90] is adopted to carry out the free vibration and impact analyses of the FRP honeycomb sandwich system, from which the full elastic field (e.g., deformation and stress) under impact is predicted. The higher order vibration analysis of the FRP sandwich beams is conducted, and its accuracy is validated with the finite element Eigenvalue analysis using ABAQUS; while the predicted impact responses (e.g., contact force and central deflection) are compared with the finite element simulations by LS-DYNA. A parametric study with respect to projectile mass and velocity is performed, and the similar prediction trends with the linear solution are observed. Furthermore, the predicted stress fields are compared with the available strength data to predict the impact damage in the FRP sandwich system. The present impact analysis demonstrates the accuracy and capability of the higher order impact sandwich beam theory, and it can be used effectively in analysis, design applications and optimization of efficient FRP honeycomb composite sandwich structures for impact protection and mitigation.     

陶瓷棒填充点阵金属夹层结构的制备及抗侵彻实验

为提高轻量化复合装甲的抗侵彻能力,提出了内部填充陶瓷棒并由混杂短切玻璃纤维的环氧树脂封装的点阵金属夹层防护结构。首先,通过弹道冲击实验研究了陶瓷棒填充点阵金属夹层防护结构的抗弹丸侵彻能力;然后,结合失效模式和吸能效率,综合分析了该夹层防护结构的抗侵彻机制。结果表明:陶瓷棒填充点阵金属夹层防护结构的主要失效模式包括点阵金属结构和混杂填充材料的拉伸断裂、陶瓷棒的破裂、面板和背板的局部剪切破坏以及背板的总体弯曲变形。在球形弹丸侵彻过程中,由于点阵金属结构的塑性大变形和剪切扩孔、陶瓷棒和环氧树脂的断裂破坏以及面板的宏观弯曲变形,防护结构的抗侵彻能力得到大幅提高。研究结果可为新型轻质复合装甲的防护设计提供一定参考。      

天然纤维增强复合材料吸声性能研究

采用热压成型法制备天然纤维增强复合材料层合板和蜂窝夹芯结构,利用双传声器阻抗管进行吸声性能测试,并与合成纤维增强复合材料层合板和蜂窝夹芯结构进行对比。结果表明:与合成纤维增强复合材料层合板相比,天然纤维增强复合材料层合板虽然具有更优异的吸声性能,但是仍不能满足吸声材料的要求,需通过材料设计进一步提高这种材料的吸声性能。而天然纤维增强蜂窝夹芯结构具有优异的吸声性能,吸声系数峰值高达0.4,可以被用作吸声材料。     

碳/芳纶混杂纤维增强波纹夹芯结构低速冲击性能

采用碳纤维和芳纶纤维增强复合材料对波纹夹芯结构的面板进行层间混杂铺层设计,通过真空辅助树脂灌注(VARI)成型工艺制备混杂波纹夹芯结构。在60 J、80 J和100 J三种不同冲击能量下,研究了面板混杂铺层方式对波纹夹芯结构低速冲击性能及冲击后压缩强度的影响,并利用超声C扫和工业CT断层成像两种无损检测技术对波纹夹芯结构的冲击损伤机制进行了分析。结果表明：冲击能量较低时,波纹夹芯结构的吸收能量基本不受面板的混杂铺层方式影响,而凹坑深度随表层碳纤维层数增加而减少。冲击能量较高时,面板为分层式混杂(碳/芳纶纤维单层交替铺层)的波纹夹芯结构的抗冲击性能最好,纤维断裂损伤和层间分层主要发生在试样表层,但损伤面积较大;面板为夹层式混杂(以碳纤维为蒙皮、芳纶纤维为芯材)的波纹夹芯结构具有较高的吸收能量,整个上面板的纤维都发生了断裂破坏,但损伤面积较小。碳/芳纶混杂波纹夹芯结构的面板采用分层式和夹层式的混杂铺层设计时,具有较高的冲击后压缩强度。     

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维表面处理对UHMWPE/环氧树脂复合材料界面性能的影响机制

从工程化应用角度研究了常压空气等离子体改性对超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维/环氧树脂复合材料界面性能的调节机制,主要分析了不同处理时间对UHMWPE纤维表面状态变化的影响,及其对UHMWPE/环氧树脂复合材料界面黏结性能的影响规律。采用SEM及纤维吸水测试研究了等离子体处理对UHMWPE纤维表面物理形貌及纤维表面浸润性能的影响,分别以拉伸和弯曲的方式,通过纤维表面脱黏力及层合板层间剪切强度对UHMWPE/环氧树脂复合材料的界面黏结性能进行表征。结果表明,仅经过4 s的空气等离子体处理之后,UHMWPE纤维表面脱黏力的提高幅度为84.0%,UHMWPE/环氧树脂复合材料层合板的层间剪切强度由未处理的7.01 MPa提高至15.81 MPa,增幅高达125.5%。研究发现,通过常压空气等离子体处理改变了UHMWPE纤维的表面状态,可以显著高效地调节UHMWPE/环氧树脂复合材料的界面性能,为扩大该材料的后续工程化应用提供了理论基础。      

高速列车及其用复合材料的发展

介绍了国内外高速列车及其用复合材料的发展,分析了列车高速化带来的问题以及实现列车高速化的主要途径,阐述了夹芯结构复合材料的性能特点及取代传统层合板结构复合材料的趋势,并提出了将三维整体复合材料夹芯结构用于制造高速列车车体结构件,从而弥补传统泡沫夹芯结构制造大尺寸构件刚度不足的缺点。     

The impact resistance of polypropylene-based fibre–metal laminates

The high velocity impact response of a range of polypropylene-based fibre–metal laminate (FML) structures has been investigated. Initial tests were conducted on simple FML sandwich structures based on 2024-O and 2024-T3 aluminium alloy skins and a polypropylene fibre reinforced polypropylene (PP/PP) composite core. Here, it was shown that laminates based on the stronger 2024-T3 alloy offered a superior perforation resistance to those based on the 2024-O system. Tests were also conducted on multi-layered materials in which the composite plies were dispersed between more than two aluminium sheets. For a given target thickness, the multi-layered laminates offered a superior perforation resistance to the sandwich laminates. The perforation resistances of the various laminates investigated here were compared by determining the specific perforation energy (s.p.e.) of each system. Here, the sandwich FMLs based on the low density PP/PP core out-performed the multi-layer systems, offering s.p.e.’s roughly double that exhibited by a similar Kevlar-based laminate.A closer examination of the panels highlighted a number of failure mechanisms such as ductile tearing, delamination and fibre failure in the composite plies as well as permanent plastic deformation, thinning and shear fracture in the metal layers. Finally, the perforation threshold of all of the FML structures was predicted using the Reid–Wen perforation model. Here, it was found that the predictions offered by this simple model were in good agreement with the experimental data.