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。     

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。     

弹体正冲击芳纶纤维层合板模拟研究

采用Abaqus/Explicit软件建立了弹体正冲击芳纶纤维层合板的有限元模型,并与已有文献结果进行对比以验证模型的可靠性,进而对三种不同形状弹体正冲击芳纶纤维层合板的临界速度、层合板的抗弹性能和破坏特征进行了分析。结果表明:锥形弹的临界速度最小,柱形弹的临界速度最大,而球形弹的临界速度介于二者之间;在相同的初速下,锥形弹体的杀伤力最大,球形弹体次之,而柱形弹体的杀伤力最小;层合板的破坏机制与弹头形状和冲击速度都有关系。该研究可为芳纶纤维层合板以及子弹弹头的设计和优化提供参考。     

FRC层合板抗高速冲击机理研究

基于纤维增强复合材料( FRC) 层合板高速冲击下横向变形及破坏模式的分析, 根据冲击动力学理论和应力波传播特性, 建立了FRC 层合板柱形弹高速冲击下的两阶段(剪切侵彻和连续侵彻) 侵彻动力学分析模型。采用瞬态梯度变形锥理论分析了连续侵彻阶段的弹、靶相互作用, 并编制相应计算程序, 通过计算结果与实验测试结果的综合比较, 弹体初速在300～900 m/ s 范围内, 剩余速度误差小于50 m/ s , 验证了两阶段侵彻模型的适用性和稳定性, 分析了实验现象, 如梯度变形锥、背层花瓣开裂和面背层破坏模式差异等的产生及形成机理, 提出了提高现有层板结构抗弹性能的新途径, 如降低层间粘结强度、提高面层纤维的抗剪能力等。      

结构参数对截锥弹低速正侵彻装甲靶的影响

采用数值模拟和实验研究相结合的方法,对截锥形动能弹低速正侵彻装甲靶作用行为进行了分析,获得了弹头锥角、前级半径和着靶速度对侵彻性能的影响特性,并对目前常用的侵彻理论模型进行了验证。数值模拟结果表明,弹头锥角和前级半径是影响截锥形动能弹侵彻性能的重要因素;着靶速度对侵彻深度和侵彻过载有显著影响,对弹体变形也有一定影响。实验结果与数值模拟结果吻合较好,而侵彻理论模型与实验结果有较大差别,侵彻模型并不适合分析存在一定变形的弹靶侵彻问题。     

基于超弹性特性的SMA复合材料层合板低速冲击损伤数值模拟方法

基于ABAQUS有限元软件结合VC++6.0程序设计,建立了含不同铺层角度、不同排列密度形状记忆合金(SMA)纤维的复合材料层合板有限元模型。将基于Brinson本构模型的SMA分段线性超弹性模型以及判断复合材料层内失效的三维HASHIN失效准则编译至ABAQUS/VUMAT子程序,使用界面单元模拟复合材料层间区域,建立了SMA复合材料层合板的低速冲击损伤及冲击后剩余强度数值模拟方法。对比了不含SMA纤维层合板、含SMA纤维层合板、含普通金属丝层合板在不同冲击能量下的损伤响应。进一步分析了SMA纤维体积分数和直径变化对冲击响应的影响。冲击后剩余压缩强度模拟结果表明:冲击能量为16J时,含体积分数25%、直径0.5mm的SMA纤维层合板的冲击后剩余压缩强度相比不含SMA纤维层合板提高5.78%、相比含普通金属丝层合板提高4.69%。随着SMA纤维体积分数提高,层合板的抗低速冲击能力增强,当体积分数一定时,较细的(0.3mm)SMA纤维比粗的(0.6mm)SMA纤维对层合板的抗低速冲击能力增强效果更好。     

UHMWPE球面层合板弹道侵彻性能研究

进行了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)平面层合板、平面夹芯结构以及球面夹芯结构的弹道侵彻实验研究,发现凸球面结构的抗侵彻能力低于平面结构,根据实验现象对球面结构初始曲率的不利影响作了初步分析.应用DYTRAN软件对不同曲率的UHMWPE层合板弹道侵彻进行了数值仿真,分析了层合板曲率对弹道性能的影响规律,认为曲率对层合板变形的限制作用以及由此导致的应力集中是造成抗侵彻能力下降的主要原因.     

船用复合结构加筋板侵彻过程的数值模拟研究

针对半穿甲战斗部对带有复合材料层的舰船薄钢靶的侵彻作用,采用数值模拟的方法,结合已有实验数据,分别进行不同形状弹头对船用薄钢靶侵彻效应的影响分析、卵头弹对带有复合材料层以及带有加筋结构的船用薄钢靶的侵彻效应分析。实验证明德玛尔公式在大质量弹体侵彻舰船薄钢靶计算中的适用性,并得到3种形状弹头极限侵彻速度的关系;超高分子量聚乙烯层(UHMWPE)仅对低速弹丸阻碍效果明显;加筋结构可降低大质量弹体侵彻舰船薄钢靶的剩余速度,但影响有限。     

圆孔对GLARE层合板抗冲击性能的影响

为获得圆孔对玻璃纤维增强铝合金（GLARE）层合板抗冲击性能的影响规律,采用40 J的冲击能量对无孔和含圆孔GLARE层合板进行了落锤低速冲击试验,获得了冲击载荷、挠度和能量-时间曲线。应用ABAQUS/Explicit有限元分析软件对试验进行模拟,并预测了圆孔直径对GLARE层合板抗冲击性能的影响。结果显示:在低速冲击下,GLARE层合板纤维层的失效模式以分层损伤和纤维断裂为主;随着圆孔边缘至冲击中心距离的增加,层合板的冲击载荷峰值提高,而挠度峰值减小;数值模拟结果与试验结果的比较验证了模型的合理性;随着圆孔直径的增大,GLARE层合板的抗冲击性能逐步劣化。      

复合材料层合板多尺度交互渐进损伤分析

纤维增强复合材料强度的准确表征是复合材料力学性能研究的核心问题之一。该文以碳纤维增强树脂基复合材料层合板为研究对象,基于宏观-细观多尺度分析方法,根据复合材料的物理失效模式分别给出了基体和纤维的细观失效准则,同时考虑基体失效对复合材料层合板纤维轴向力学性能的影响。提出了新的刚度退化方式,可准确表征复合材料层合板的损伤演化过程,开展了复合材料层合板四点弯模型的多尺度交互渐进损伤分析和试验验证。结果表明:基于多尺度方法的复合材料层合板宏-细观交互渐进损伤分析结果与试验结果吻合较好,新的刚度退化方式可以准确模拟层合板的失效过程。     

变角度纤维层合板的弯曲问题研究

变角度纤维层合板是一种新型的变刚度结构,该文将对其弯曲问题进行研究。假定每层的纤维方向角沿板的长度方向按照线性变化,基于经典层合板理论,导出了变角度纤维层合板弯曲问题的控制方程,采用有限元线法进行求解,获得了任意边界条件下变角度纤维层合板弯曲问题的数值解。与ABAQUS有限元计算结果的对比,验证了该文采用有限元线法的正确性。通过数值算例分析了边界条件、铺层方式、纤维方向角以及长宽比等参数的变化对变角度纤维层合板弯曲性能的影响。研究结果可为变角度纤维层合板的设计提供一定的参考。     

复合材料层合板机械连接结构累积损伤模型和挤压性能试验研究

建立了三维累积损伤有限元模型, 采用扩展拉格朗日乘子法对螺栓表面和复合材料层合板孔壁间的接触行为进行了模拟。对复合材料层合板中纤维断裂、基体开裂和纤维2基体剪切3 类基本损伤类型的产生、扩展以及它们之间的关联性进行了研究。计算得到了复合材料层合板单钉连接结构的载荷2位移曲线, 预测了它们的初始挤压破坏载荷。同时, 进行了T300 帘子布/ Q Y8911 双马来酰亚胺树脂层合板单钉单搭螺栓挤压强度试验,验证了不同铺层类型和结构尺寸对复合材料层合板机械连接挤压性能的影响。试验结果和计算结果吻合较好, 证明了该模型和算法的有效性。      

纤维/镁合金混杂层合板低速冲击响应及损伤模拟

为了研究新型纤维增强镁合金混杂层合板在低速冲击下的力学响应,分别对由玻璃纤维、碳纤维和二者混杂增强的AZ31B镁合金层合板在不同冲击能量下的落锤低速冲击试验进行了数值模拟。基于镁合金各向异性塑性本构和指数关系界面脱粘内聚力本构模型,同时纤维复合材料层采用三维Hashin失效准则且引入刚度折减,编写了复合材料层板损伤的VUMAT子程序,并将该子程序嵌入ABAQUS/Explicit中实现对层合板冲击过程的模拟。研究了该纤维层合板在不同冲击能量下的动态冲击响应以及脱粘与损伤演化规律,分析了冲击载荷、形变和能量吸收随时间的变化规律。模拟结果表明:在冲击能较小时,首先在冲击背面出现基体开裂,随着冲击能的增加,层合板受冲击面出现由无明显损伤到出现基体开裂和纤维断裂的现象;与单一碳纤维增强的镁合金层合板复合材料相比,单一玻璃纤维增强的镁合金层合板在冲击载荷作用时能够吸收更多的能量,碳纤维层内混杂合适的玻璃纤维铺层能够提高碳纤维增强镁合金层合板的抗冲击性能。     

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．     

卵形弹丸撞击下 FRP层合板的侵彻和穿透

研究了卵形弹丸撞击下FRP层合板的侵彻和穿透性能, 在局部化破坏模式假定的基础上改进了Wen提出的能量简化分析模型。改进模型仍假设弹体在侵彻过程中表面所受靶体的平均压力由靶体材料弹塑性变形所引起的静态阻力和速度效应引起的动阻力两部分组成, 认为侵彻过程中靶体对弹的阻力不再是一个常数, 而是与侵彻速度相关的函数。同时针对不同厚度靶板的破坏模式, 建立了几种不同的侵彻和穿透模型。通过弹头长度与靶板厚度的比较, 将侵彻过程分为部分侵彻和完全侵彻; 穿透过程分为薄板穿透和中厚板穿透。并且根据不同的破坏方式给出了求解卵形弹丸的侵彻深度、 残余速度和极限速度的预测公式。模型预测与实验数据进行了比较, 发现侵彻深度和弹道极限速度的理论预测值与实验数据吻合得很好。      

高速钝头弹侵彻中厚高强聚乙烯纤维增强塑料层合板的机制

根据侵彻过程中的不同受力状态和耗能机制,结合高强聚乙烯纤维增强塑料(UFRP)层合板抗高速侵彻特点,将高速钝头弹对中厚UFRP的侵彻过程分为压缩镦粗、剪切压缩和拉伸变形三个阶段。基于三阶段侵彻机制,利用能量守恒原理建立了钝头弹高速侵彻中厚UFRP的弹道极限和剩余速度计算模型。采用侵彻模型计算了相关文献弹道试验工况下弹体的剩余速度和弹道极限速度,计算值与文献试验值吻合较好。三阶段侵彻模型考虑了试验中出现的纤维熔断和弹体镦粗现象,能够对高速钝头弹侵彻中厚UFRP的剩余速度和弹道极限速度进行合理预测,具有一定的理论价值和工程应用价值。     

基于ABAQUS二次开发的球形破片侵彻UHMWPE软质防弹衣数值模拟

为准确模拟破片侵彻防弹衣的过程,揭示破片与软质防弹衣相互作用机制,本文基于ABAQUS用户子程序VUMAT编写了适用于模拟软质防弹衣材料力学性能的本构模型,建立了球形破片侵彻软质防弹衣的有限元模型,数值模拟结果与实验吻合较好。本构模型中材料失效模式数据表明,无纬布主要发生纤维拉伸、基体拉伸和压缩失效;在钢球侵彻防弹衣的初期,无纬布上的应力云图一般呈现较规则的圆形或椭圆形,然后再慢慢向四周扩散;钢球侵彻软质防弹衣的过程中伴随有较明显的纤维层间分层失效,未穿透的纤维层中也出现了分层的现象,分层面积从迎弹面到背弹面先减小后增大再减小。      

一种改进的内聚力损伤模型在复合材料层合板低速冲击损伤模拟中的应用

针对传统内聚力损伤模型(CZM)无法考虑层内裂纹对界面分层影响的缺点,提出了一种改进的适用于复合材料层合板低速冲击损伤模拟的CZM。通过对界面单元内聚力本构模型中的损伤起始准则进行修正,考虑了界面层相邻铺层内基体、纤维的损伤状态及应力分布对层间强度和分层扩展的影响。基于ABAQUS用户子程序VUMAT,结合本文模型及层合板失效判据,建立了模拟复合材料层合板在低速冲击作用下的渐进损伤过程的有限元模型,计算了不同铺层角度和材料属性的层合板在低速冲击作用下的损伤状态。通过数值模拟与试验结果的对比,验证了本文方法的精度及合理性。     

弯扭耦合层合板模态特性数值模拟与试验研究

通过不同位置采用对称偏轴铺设纤维实现层合板的弯扭耦合,利用模态试验和有限元数值模拟研究弯扭耦合层合板的振动模态特性。采用单点拾振的方法采集层合板振动数据,分析其固有频率和振型参数,研究不同耦合区域层合悬臂板的模态节线位置,并且与有限元模拟结果进行对比。提出采用模态置信因子(MAC)定量描述层合板的弯扭耦合性能的方法,实现了采用模态特性研究层合板的弯扭耦合效应。结果表明,层合板的耦合效应,在低阶模态时中部耦合板显著,而高阶模态时端部耦合板显著。     

组合载荷下含缺口纤维增强树脂基复合材料的失效分析

为研究含缺口纤维增强复合材料层合板在复杂载荷下的破坏,本文采用改进的Arcan夹具,在30°方向对含缺口碳纤维增强树脂基复合材料层合板（[-45/90/45/0]_s）进行了拉伸-剪切组合加载实验。用数字图像相关方法（DICM）测量了层合板表面层的裂纹发展过程,在缺口尖端观察到了明显的劈裂现象。然后用有限元软件ABAQUS建立了三维层合板模型,为准确模拟裂纹尖端的应力场,模型中每层引入内聚力接触来模拟劈裂。为了比较加载端的转动自由度对层合板失效模式和破坏强度的影响,文中分析了两种不同的边界条件,即约束和放松加载端的转动自由度。研究结果发现,加载端的合力方向主导了层合板的失效模式和破坏强度,放松加载端自由度的模拟结果与实验结果有很好的一致性。