复合材料面层-泡沫金属夹芯板的振动及吸能特性分析

在冲击载荷作用下,泡沫金属夹芯板沿厚度方向存在不可忽略的压缩和剪切变形,故经典层合板理论不适用于这类夹芯结构的分析,必须考虑芯层的横向压缩和剪切变形。利用高阶理论考虑芯层的横向剪切和正应变,应用Kirchhoff理论分析上下面层。采用哈密尔顿方程和加权伽辽金法获得夹芯结构振动方程;根据振动方程,边界条件和初始条件,利用4阶Runge-Kutta法,在冲击载荷作用下,求出复合材料面层-泡沫金属夹芯板在弹性变形阶段的横向动态位移,同时求出夹芯板的固有频率并与有限元计算结果进行比较,二者吻合很好。讨论不同复合材料面层铺设角、阻尼比及芯层厚度参数对夹芯结构振动特性的影响,结果表明：改变复合材料面层铺设角及芯层厚度,可改变夹芯结构的整体刚度,进而影响结构的振动特性;阻尼耗散结构能量,可加速结构振动的衰减。通过分析复合材料面层-泡沫金属夹芯板的能量吸收特性,得出了由于泡沫芯层承受横向压缩和剪切变形而具有良好吸能特性的结论。     

横向冲击载荷下泡沫铝夹芯双圆管的吸能研究

采用数值模拟的方法研究了在横向冲击载荷作用下,泡沫铝夹芯双圆管结构的变形模态与吸能性能。分析了泡沫铝夹芯双圆管结构的几何参数、芯层材料的相对密度与冲击速度对其力学行为的影响。结果表明：冲击初始时刻,夹芯双圆管的冲击端由于塑性变形而吸收了大部分能量,之后主要依靠左右两端的弯曲变形来吸收能量;横向冲击载荷作用下,泡沫铝夹芯双圆管的比吸能随着外管直径与内管壁厚的增加或者泡沫铝芯层厚度的增加而增加;而随着外管壁厚与内管直径的增加,泡沫铝夹芯双圆管的比吸能减小;冲击速度小于30 m/s时,夹芯双圆管呈上下、左右对称的变形模态;大于此速度时,呈左右对称的变形模态,夹芯双圆管的比吸能随着冲击速度的增大而增大;芯层材料的相对密度越大,夹芯双圆管结构的比吸能也越大。     

局部冲击下复合材料蜂窝夹芯结构的失效行为与吸能机理

由于复合材料夹芯结构在局部冲击作用下会产生多种破坏模式,降低结构的承载能力,建立基于物理机制的失效分析方法和损伤模型,研究局部冲击作用下复合材料蜂窝夹芯结构的失效行为,并与试验结果进行对比分析。结果表明,随着冲击能量的改变,冲击力、下面板中心位移均会呈现出不同的变化趋势。进一步研究了不同能量下多次冲击的结构响应。研究表明,芯材的抗冲击能力较弱,下面板承受了较多次冲击,且随着冲击能量的增加,重复冲击的破坏次数大大降低。     

泡沫铝夹芯结构装甲车底板设计与性能分析

为提高装甲车越野机动性、安全防护和乘坐舒适性,取某U型截面装甲车底板为原型,设计泡沫铝夹芯底板,简化理想空气中地雷爆炸冲击波曲线,得到用于装甲车底板爆炸冲击仿真等效压力波数学模型,用多目标优化设计优化泡沫铝夹芯底板,用ANSYS有限元仿真软件,对原型结构和优化后泡沫铝夹芯底板在地雷爆炸载荷作用下的变形、应变、应力、吸能性及地雷爆炸产生的噪声车内声场强度仿真,进行对比分析.结果表明:相较于原型底板,泡沫铝夹芯底板的最大变形、应变、应力、声场强度、质量均有不同程度降低,吸能总量显著提高.证明泡沫铝夹芯底板对增强装甲车越野机动性、安全防护性和乘坐舒适性有效.     

环氧基CFRP冲击性能及损伤容限性能研究

为获得碳纤维增强复合材料(carbon fibre reinforced plastics,CFRP)受低速冲击时的损伤情况,对环氧基CFRP层合板进行抗冲击及损伤容限性能试验。为获取不同冲击能量下CFRP层合板的低速冲击响应信息,对CFRP层合板进行低速冲击试验,基于试验结果进行层合板低速冲击损伤形式、损伤机理及能量响应和冲击损伤形貌分析;为确保复合材料结构的耐久性和损伤容限,进行冲击后压缩试验,分析CFRP的损伤阻抗和损伤容限。结果表明:冲击能量在冲击过程中被吸收或转化,CFRP层合板的分层阈值和冲击能量无关,与材料的属性及成型工艺相关;CFRP层合板的冲击能量-凹坑深度曲线与凹坑深度-剩余压缩强度曲线拐点位置一致,且拐点对应的凹坑深度不超过BVID规定的凹坑深度。     

气凝胶夹芯结构冲击吸能实验研究

针对装甲车、舰船等武器装备冲击碰撞防护需求,提出一种气凝胶夹芯冲击吸能结构,采用一级轻气炮系统,结合力传感器、高速摄像及数字图像相关技术,研究10.4m/s、15.4m/s、19.0m/s共3种较高冲击速度下7种气凝胶夹芯结构冲击吸能特性。研究结果表明：随着冲击速度的增加,7种气凝胶夹芯结构的峰值碰撞力、压垮距离、比吸能、平均碰撞力均逐渐增大;相同冲击速度下,随着气凝胶层厚度的增加,气凝胶夹芯结构的比吸能逐渐增大,峰值碰撞力呈下降趋势,碰撞力效率总体变化较小;在研究范围内,较大的气凝胶层厚度有利于结构冲击吸能特性的提高,同时避免过大峰值碰撞力对防护人员或装备的损伤。     

应用Voronoi随机模型研究多孔材料中波的传播特性

高孔隙率泡沫金属材料由于其较长的应力平台可以吸收较多的能量,在结构耐撞性设计中有重要的应用前景。然而,实验研究表明当高孔隙率泡沫金属材料承受强冲击载荷时,可能发生应力/力增强现象,从而对被保护结构造成较严重的损伤。采用二维Voronoi随机分布模型研究"真实"泡沫材料在不同持时的强冲击载荷作用下可能出现的力/应力增强现象。对5种不规则的泡沫金属材料计算结果表明:在强冲击载荷达到一定强度时,在泡沫金属材料中应力/力传递会出现应力/力的增强现象。     

含低速冲击损伤复合材料层合板剩余压缩强度预测

为了预测含低速冲击损伤复合材料层合板结构的剩余强度,建立了复合材料层合板结构从冲击到冲击后压缩的全过程分析模型.基于该模型,通过ABAQUS有限元仿真软件,结合Hashin失效准则和Cohesive界面单元,建立了复合材料层合板结构有限元分析模型,完成了低速冲击载荷下的有限元仿真模拟和冲击后剩余强度的有限元预测.通过与试验值对比,仿真结果与试验结果有良好的一致性,所建立模型能够有效进行含低速冲击损伤复合材料层合板结构的剩余强度预测.     

警用轻质复合防弹材料的制备及性能研究

以泡沫铝为夹芯材料,将其置于两块偏薄的铝板间,用胶粘法将铝板和夹芯材料连接,制备不同板厚和泡沫铝密度的两种(1#和2#)警用轻质复合防弹材料,用不同密度泡沫铝子弹进行冲击试验,研究该材料的抗弯性、冲击断裂性等.结果表明:两种试件均在三点弯曲试验中脆性断裂,1、2#试件的最大抗弯载荷分别为621、743 N,2#试件的抗弯性能较好;冲击断裂测试中,1#试件断裂、2#试件严重变形,最大冲击载荷分别为466、498 N,增加板厚和夹芯材料密度能提升试件抗冲击性能;泡沫铝子弹密度越大,冲击伤害越大,1、2#试件均有良好消耗子弹动能的能力.     

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。     

结构间隙对芳纶纤维增强复合装甲结构抗侵彻性能的影响

采用由5 mm厚的前置钢板、60 kg/m²面密度的芳纶纤维增强复合材料层合板抗弹芯层、10 mm厚的后置钢板构成的夹芯式复合装甲结构,模拟舰船舷侧复合夹芯舱壁结构。根据面板与芯层间有无50 mm的间隙,将复合装甲结构分为无间隙式、后间隙式、前后间隙式3种结构型式。开展了复合装甲结构在质量40 g、最高初速约为1 630 m/s的高速圆柱体弹丸冲击下的抗侵彻性能实验,提出了钢质面板和芳纶纤维增强复合材料层合板芯层的破坏模式,研究了复合装甲结构的抗侵彻机理,对比分析了同一穿甲载荷冲击下3种复合装甲结构的抗弹性能。结果表明：前置面板的破坏模式主要为剪切冲塞;面板与芯层之间的间隙对芳纶纤维增强复合材料板的破坏模式及钢质背板的变形量影响较大、对前置面板影响较小;同一穿甲载荷冲击下,间距的存在有利于复合装甲结构综合抗侵彻性能的提高。     

破片与冲击波联合作用下多孔泡沫铝夹芯复合材料板的防护性能

多孔泡沫铝钛合金板不仅克服了传统防护结构质量大、运输不便等缺点,还具有耐疲劳、比强度高等优点,对抗爆防护材料轻质化、高效化具有十分重要的意义。采用有限元仿真分析软件LS-DYNA,对夹芯复合材料板在冲击波与破片联合作用下的失效模式和防护性能展开了数值模拟,对比分析了不同排列方式下泡沫铝夹芯结构对背板变形程度的影响。结果表明：在40 cm爆距下,破片会先于冲击波对靶板进行作用,且破片载荷强度远大于冲击波载荷强度;当厚度方向的结构按照“1 mm厚钛合金面板+10 mm厚泡沫铝+10 mm厚泡沫铝+10 mm厚纤维+1 mm厚钛合金背板”排列时,背板变形位移最小,结构总内能最高,分别为13.9 mm和52.7 kJ,此工况可以更有效地降低结构整体变形程度,吸收面板变形所产生的能量。     

冲击载荷作用下多孔材料符合结构防爆理论计算

多孔材料具有减震和吸收冲击能量的特点，但是单一的多孔材料强度较低，为降低爆炸冲击载荷对结构的破坏，在混凝土墙壁或者两层装甲钢板中间添加一层或者几层多孔吸能材料（多孔聚氨酯、泡沫铝、铁等）构成多层复合抗爆结构，实现防爆和衰减冲击波的功能。当炸药爆炸驱动飞片高速冲击多层复合结构时，多孔材料产生塑性变形被压实。由于多孔材料冲击波阻抗很低，能够大大地削减应力波的强度。在这个过程中，飞片的冲击能量被减小，和单层结构相比，防爆能力被提高。为研究多层复合结构的防爆机理，应用冲击载荷下的材料动态本构关系，对冲击波在“钢板一多孔材料一钢板”3层介质中的传播规律和各层介质中的冲击载荷进行甘算，并对应力波在多孔材料复合结构中的衰减变化过程进行一维理论分析。     

瞬态冲击载荷下复合材料身管损伤研究

复合材料身管的损伤除了具有传统金属身管的损伤模式外,还包括复合材料层的损伤,金属层与复合材料层间界面损伤;针对该问题,采用有限元法对瞬态冲击载荷下复合材料身管损伤进行数值模拟,讨论影响复合材料身管损伤的因素,主要研究不同结构设计参数对复合材料身管损伤的影响;不同载荷工况下复合材料身管的损伤模式;这些研究对于提高含金属内衬复合材料结构的安全性和寿命,拓展复合材料结构的应用有着重要的意义。     

复杂应力动态加载下颗粒增强复合材料失效模式研究

为解决战斗部颗粒增强复合材料因装药损伤引起局部"热点"而发生提前起爆问题,对颗粒增强复合材料在复杂应力动态加载下的损伤特性进行研究。基于一级轻气炮,对颗粒增强复合材料在三轴向冲击载荷作用下的损伤失效模式进行试验研究,分析轴向和径向边界约束条件对颗粒增强复合材料宏观损伤形式的影响,利用扫描电子显微镜(SEM)探索冲击载荷与细观损伤模式的内在关联。结果表明:颗粒增强复合材料宏观损伤特性主要表现为挤压变形;晶体颗粒表面与黏结剂剪切脱黏强度约为0.3 MPa,在较小冲击载荷作用下,颗粒表面与黏结剂已产生剪切脱黏,随冲击载荷的增大,出现晶体颗粒"孪晶带",大尺寸颗粒易受到应力集中影响,先于小尺寸颗粒发生断裂破坏,急剧冲击波能量迫使颗粒表面微裂纹发生断裂,从而演变成整个颗粒破碎情况,甚至部分出现融化现象。     

多次冲击下泡沫铝动态压缩力学性能试验与本构模型研究

基于分离式霍普金森压杆装置对泡沫铝试样进行多次冲击加载试验,研究泡沫铝在中低应变率下的动态压缩力学性能。通过分析泡沫铝破坏形貌、透波率、应力-应变曲线以及能量吸收效率随冲击加载次数的变化规律,研究了损伤累积对材料动态力学性能以及吸能特性的影响机理。试验结果表明：随着冲击次数的增加,泡沫铝内部胞孔结构逐步崩溃压实,对应力波的衰减作用减弱,弹性极限应力及对应应变均有增强效应,且多次冲击下的损伤累积效应有助于提高理想吸能效率。基于试验所得应力-应变曲线,将损伤累积变量引入Sherwood-Frost方程,建立泡沫铝材料多次冲击下损伤累积本构模型,分析了形状函数参考曲线对应损伤累积能量与多次冲击试验损伤累积能量差值对本构模型准确性的影响,并进行了试验验证。     

柱胞夹芯复合材料承载/减振性能研究

设计一种以薄壁球壳作为复合材料芯子的柱胞夹芯复合材料,研究其结构承载能力和阻尼减振性能一体化的特性。进行2×2柱胞排列的柱胞夹芯复合材料准静载压缩实验和3×7柱胞排列的振动测试实验,并通过有限元模拟静载压缩实验和模态分析。结果表明:随着球壳直径的增大,发生翻转和非对称屈曲所需要的临界位移增大;压缩相同的位移,直径小的球壳压缩荷载大,不锈钢薄壁椭球壳最大应力较高,较紫铜易于屈服,其振动频率较高,结构承载能力强,阻尼减振能力强于紫铜。随着球壳壁厚的增加,承载能力逐渐增强,阻尼比呈先增后减的趋势,以直径较大的球壳为芯子的柱胞夹芯复合材料阻尼减振性能高于小直径球壳。     

含Cohesive单元的舱门蒙皮低速冲击有限元仿真

利用3D Hashin失效准则预测复合材料气密性舱门蒙皮4种层内损伤模式:纤维拉伸、纤维压缩、基体拉伸和基体压缩,进行低速冲击有限元仿真分析;使用Cohesive单元结合QUADS失效准则代替VCCT技术模拟分层失效;比较不同网格密度、冲击位置以及冲击能量下对数值分析的影响.仿真结果表明:冲击点越接近筋条缘条中央位置,冲击损伤面积越大,应作为舱门健康监测研究中重要监测对象之一.     

步枪弹高速冲击下防弹头盔功能梯度泡沫内衬的防护性能

为开发能够抵御步枪弹的新型防弹头盔,研究功能梯度泡沫内衬在防弹头盔中的防护作用,通过材料压缩试验获得30 kg/m³、45 kg/m³和60 kg/m³ 3种不同密度发泡聚丙烯泡沫的力学性能,开展枪弹高速冲击功能梯度泡沫内衬防护下的假人颅脑试验并进行仿真研究。利用人颅脑试验和数值模拟计算,分析均质泡沫、正负梯度、凹凸梯度组合防护下的颅脑生物力学响应,以及泡沫局部和整体的能量吸收。结果表明：分层泡沫的能量吸收主要集中在靠近头部的支撑层,占泡沫吸收总能量的62.33%;平均密度相同时,梯度结构相较均质结构防护效果更显著,且负梯度优于正梯度;凸梯度结构在降低整体质量的同时,较其他梯度结构至少增加19.57%的能量吸收。     

编织物增强层板的抗冲击性研究

对受到中心冲击的一系列平纹编织Ｓ－ｇｌａｓ／ｅｐｏｘｙ和Ｋｅｖｌａｒ／ｅｐｏｘｙ层板及由此产生的损伤情况进行了研究，并采用有限元程序对层板的应力状态进行分析。发现层板铺层角的变化对冲击载荷－时间曲线没有显著影响；随冲击速度的提高，铺层角变化对层板损伤的影响变得显著；铺层角的错配可以偏转冲击裂纹的扩展方向；Ｋｅｖｌａｒ纤维的高延伸率和弱粘结性使得它的局域应力幅值高于Ｓ－ｇｌａｓｓ层板，从而导致了穿透现象的出现。