玄武岩纤维布/铝板组合防护结构的高速撞击防护性能

在弹道段撞击速度范围内,针对玄武岩纤维布/铝板组合防护结构开展了高速撞击实验(实验使用的2017铝球弹丸的直径为3.97 mm,撞击速度为1.49~3.65 km/s),获得了防护结构的弹道极限速度,分析了铝球弹丸高速击穿玄武岩纤维布和铝板后的剩余速度。基于单层铝板发生穿孔失效时的临界撞击动能,研究了玄武岩纤维布/铝板组合防护结构的高速撞击防护性能。结果表明:当弹丸未破碎时,相同直径的铝球弹丸以不同速度击穿相同面密度的玄武岩纤维布后的速度减小量近似为常数;铝球弹丸直径越大,弹丸击穿相同面密度的玄武岩纤维布后的速度减小量越小;在防护结构面密度相同的情况下,铝板前置的玄武岩纤维布/铝板组合防护结构比玄武岩纤维布前置的组合防护结构具有更好的高速撞击防护性能。     

铝球弹丸高速斜撞击铝Whipple防护结构时后板的损伤特性

 为了研究空间碎片对航天器防护结构的高速斜撞击损伤特性,采用二级轻气炮发射铝球弹丸,对铝Whipple防护结构进行高速斜撞击实验。弹丸直径为3.97 mm,撞击速度为1.14～5.35 km/s,撞击角度为0°～70°。实验得到了铝Whipple防护结构在不同撞击速度区间的后板损伤模式,分析了后板撞击损伤及弹坑分布特性,建立了预测铝球弹丸高速斜撞击铝Whipple防护结构时后板弹坑分布的经验公式。结果表明：在大角度斜撞击条件下,对于一定的撞击速度,铝Whipple防护结构的后板弹坑分布会出现两个区域;弹丸的撞击破碎临界速度将影响后板损伤随撞击角的变化关系;对于铝Whipple防护结构,存在使后板撞击损伤最严重的临界撞击角。     

玄武岩纤维布超高速撞击损伤分析

 在航天器空间碎片超高速撞击防护领域中,采用高技术纤维作为防护材料是当今防护结构发展的趋势之一,玄武岩纤维（Basalt Fiber）是近年来受到关注的一种高强度纤维。对玄武岩纤维织物受铝合金弹丸超高速撞击时的宏观穿孔损伤特性和细观纤维丝断裂损伤特性进行了分析研究,观察到了冲击高压造成的材料熔化现象,根据实验结果拟合得到了玄武岩纤维布撞击孔的孔径方程,根据纤维丝断口形貌分析了纤维丝的断裂原因。研究结果可为玄武岩纤维材料在空间碎片防护结构中的应用提供有益参考。     

纤维编织材料超高速撞击特性实验研究

与铝合金等材料相比,纤维编织材料具有质量轻、可柔性折叠等优点,可应用于柔性充气展开防护结构,进而构建多屏、大间距防护结构,提升防护效率。考虑不同性能纤维编织材料对多屏防护结构防护性能的影响,通过实验研究了不同材料制成的多屏防护结构对空间碎片的防护性能,防护屏材料包括玄武岩纤维编织材料、芳纶纤维编织材料及铝板。在超高速弹丸撞击载荷作用下,与多屏铝板防护结构相比,多屏纤维编织材料防护结构具有更高的防碎片撞击效果;对多屏纤维编织材料防护结构来说,前两屏采用玄武岩纤维编织材料,后两屏采用芳纶纤维编织材料时,防护效果更好,说明多屏防护结构的前置防护屏采用软化温度较高的无机纤维编织材料时,可能会更好地破碎弹丸,从而提高防护结构的碎片撞击防护性能。     

铝网防护结构高速正撞击防护性能的实验研究

利用二级轻气炮发射2017-T4铝球弹丸,高速正撞击5052铝网防护结构,模拟空间碎片对航天器防护结构的高速撞击作用,研究了铝网防护结构的高速撞击防护特性。在面密度相同的情况下,分析了影响铝网填充防护结构高速撞击防护性能的铝网尺寸效应及组合效应。实验撞击速度为2.90~4.95km/s,弹丸直径分别为3.97和6.35mm,撞击角为0°。实验结果表明:厚度为0.5mm的2A12铝板对高速撞击铝球的初次破碎能力优于相同面密度的5052铝网层,但作为填充介质,5052铝网层比2A12铝板具有更好的保护后板作用;在一定的丝径范围内,丝径越小,撞击防护效果越好;前网后板填充层比前板后网填充层具有更好的均匀破碎效果。     

不锈钢网/铝板多冲击防护屏高速撞击防护性能实验研究

 通过对铝Whipple防护结构进行扩展变形,设计出不锈钢网/铝板组合多冲击防护屏,并利用二级轻气炮对其进行高速撞击实验,撞击速度为3.93~4.25 km/s,弹丸直径为6.35 mm。分析了不同规格不锈钢网、不同间距组合以及网格间结膜对不锈钢网/铝板多冲击防护屏高速撞击防护性能的影响。结果表明：不锈钢网位于防护屏的最后层有利于碎片云的扩散;不锈钢网位于防护屏最前层不利于撞击粒子的初次破碎;丝网几何参数、防护层间距组合是提高不锈钢网/铝板多冲击防护屏高速撞击防护性能的重要参数;网格间结膜有助于弹丸撞击动能的吸收。     

碎片云超高速撞击声发射信号特征分析

为了掌握带防护屏的航天器结构受空间碎片超高速撞击时的声发射信号特征,利用二级轻气炮发射球形弹丸撞击铝合金双层板结构,获取了碎片云撞击铝合金板舱壁产生的声发射信号,并利用小波包技术和能量熵理论对信号进行了分析。实验结果表明:弹丸初始速度、防护屏厚度及弹丸直径是决定二次碎片云形态及声发射信号特征的重要因素;在本实验工况范围内,小波包能量熵值能够描述声发射信号频率的复杂程度;当弹丸初始速度处于破碎段(3~7km/s)时,随着初始速度的增大,二次碎片云进一步细化,撞击产生的声发射信号幅值趋于减小、频率成分趋于复杂化,其小波包能量熵值逐渐增大;防护屏厚度对声发射信号的小波包能量熵值影响较大,弹丸直径对其影响较小。研究结果有助于实现对碎片云撞击舱壁结构的损伤模式识别。     

铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维布剩余速度分析

 采用高强纤维作为防护材料,是航天器空间碎片超高速撞击防护结构发展的趋势之一。超高速撞击损伤分析是空间碎片防护结构研究开发设计的重要环节,也是高压极端加载条件下材料动态响应分析的重要内容。玄武岩纤维是近年来受到人们关注的一种高强度、高模量陶瓷纤维。利用二级轻气炮进行了铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维编织布时的超高速撞击实验,根据弹丸碎片的闪光X射线阴影照片,分析了铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维编织布的撞击速度损失规律,根据实验结果拟合得到了铝合金弹丸的剩余速度方程,为分析玄武岩纤维材料对弹丸的撞击能量消耗提供了参考依据。     

含泡沫铝防护结构的超高速撞击数值模拟研究

 泡沫铝是一种新型航天器防护材料,拥有良好的抵御空间碎片超高速撞击的特性。模仿泡沫金属的生产原理,建立了泡沫金属微结构几何模型,结合自编的光滑质点流体动力学程序进行了超高速撞击数值仿真,通过与实验结果的对比,验证了模型的有效性。提出了两种含泡沫铝的空间碎片防护结构,即填充泡沫铝结构和夹层泡沫铝结构。对这两种结构分别进行了仿真计算,获得了其撞击极限曲线。分析结果表明,在空间碎片防护领域涉及的大部分撞击速度区间内,填充泡沫铝结构的防护性能优于夹层泡沫铝结构。     

弹丸超高速撞击铝靶成坑数值模拟

 低地球轨道的各类航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击,损伤航天器飞行关键系统,进而导致航天器发生灾难性的失效。微流星体及空间碎片防护结构设计,是航天器设计的一个重要问题。采用AUTODYN软件进行了弹丸超高速正撞击及斜撞击铝靶成坑的数值模拟,给出了二维及三维模拟结果。研究了弹丸密度、弹丸形状、板厚度、弹丸速度、弹丸直径和弹丸撞击入射角等对靶成坑的影响。模拟结果同实验结果进行了比较,模拟的成坑形状和特征尺寸同实验相吻合。验证了数值模拟方法的有效性。     

三维正交机织复合材料弹道侵彻数值模拟

利用LS-Dyna有限元软件开展球形弹弹道侵彻Kevlar/乙烯基树脂三维正交机织复合材料的模拟研究,靶板采用含损伤的正交各向异性本构模型和Hashin失效准则,子弹剩余速度的计算值和实验值符合较好,破坏形貌和实验基本一致,并给出侵彻速度时程曲线;结合x方向纤维和面内基体的损伤演化图,分析弹道侵彻过程和材料的破坏模式.     

A microstructure model for finite-element simulation of 3D rectangular braided composite under ballistic penetration

The non-delamination feature of 3D braided composites under transverse impact leads to their potential application in the field of ballistic impact protection. One of the effective ways to investigate the ballistic impact damage of the 3D braided composite is to simulate the penetration process by numerical method, such as finite element method. However the numerical simulations of ballistic impact damage are seldom conducted based on the microstructure level. This paper presents a microstructure model for simulating ballistic impact damage of 4-step 3D braided rectangular composite penetrated by a rigid steel projectile. The microstructure model is based on the same yarn spatial configuration with that of the braided composite and also on the assumptions of the braided yarns appear straight inside the braided preform, bending and then change to other directions only at the surface. The ballistic perforation of the braided composite specimen by a cylindrical-conically steel projectile has been simulated with finite element method. The comparisons between FEA and experimental results show the validity of the microstructure model, especially for the penetration resistance and impact damage of the composite. Compared with the other continuum models of the braided composite, the microstructure model can simulate impact damage more precisely. The velocity history and acceleration history of projectile, and impact damage development of the composite in FEM simulation indicate the different damage and energy absorption mechanisms of the braided composite compared with those of laminated composite.     

A computational analysis of the ballistic performance of light-weight hybrid composite armors

The ability of hybrid light-weight fiber-reinforced polymer-matrix composite laminate armor to withstand the impact of a fragment simulating projectile (FSP) is investigated using a non-linear dynamics transient computational analysis. The hybrid armor is constructed using various combinations and stacking sequences of a high-strength/high-stiffness carbon fiber-reinforced epoxy (CFRE) and a high-ductility/high-toughness Kevlar fiber-reinforced epoxy (KFRE) composite laminates of different thicknesses. The results obtained indicate that at a fixed thickness of the armor both the stacking sequence and the number of CFRE/KFRE laminates substantially affect the ballistic performance of the armor. Specifically, it is found that the armor consisting of one layer of KFRE and one layer of CFRE, with KFRE laminate constituting the outer surface of the armor, possesses the maximum resistance towards the projectile-induced damage and failure. The results obtained are rationalized using an analysis of the elastic wave reflection and transmission behavior at the inter-laminate and laminate/air interfaces.     

光谱法研究MC尼龙6/芳纶复合材料的结构

将经甲苯二异氰酸酯(TDI)和己内酰胺改性的Kevlar纤维作为MC尼龙6的增强体,X射线光电子能谱观察到改性后纤维表面C,N和O元素的含量发生了改变,谱峰也相应发生变化。从红外光谱分析发现,Kevlar纤维和MC尼龙6相混所得谱图只是二者红外谱图的简单叠加,而改性Kevlar纤维可作为己内酰胺阴离子开环聚合的活性中心,且接枝链上的酰胺基可以与基体尼龙形成较强的氢键,有利于提高界面结合。XRD测试表明Kevlar纤维的引入并没有明显改变MC尼龙6的晶型,但其晶粒将具有更严格的三维周期性结构。在相同纤维用量时,改性Kevlar纤维增强的MC尼龙6的晶粒较未改性纤维的完善。当纤维含量小于2%时,纤维的加入有利于生成完善的α球晶,纤维含量大于2%时,α球晶结构含量随着纤维用量的增多反而下降。     

The effect of oxygen-plasma treatment on Kevlar fibers and the properties of Kevlar fibers/bismaleimide composites

The effect of oxygen-plasma treatment for Kevlar fibers on the interfacial adhesion and typical macro-properties of Kevlar fiber/bismaleimide composites was intensively studied. It is found that oxygen-plasma treatment significantly affects the interfacial adhesion by changing the chemistry and morphology of the surfaces of the fibers, and thus leading to improved interlaminar shear strength, water resistance and dielectric properties of the composites. However, the improvement is closely related to the treatment power and time. The best condition for treating Kevlar fiber is 70 W for 5 min. Oxygen-plasma treatment provides an effective technique for overcoming the poor interfacial adhesion of Kevlar fiber based composites, and thus showing great potential in fabricating high performance copper clad laminates.     

密度梯度薄板超高速撞击特性的实验研究

以二级轻气炮作为加载手段,在撞击速度范围为4.0—7.0 km/s内获得了Ti6Al4V/Ly12 Al/聚酰胺纤维密度梯度薄板的穿孔特性、验证板损伤特性和弹道极限特性.与Ly12 Al薄板的相应实验结果的对比显示,在相同撞击速度下,该密度梯度薄板的穿孔直径更大,且随撞击速度的增大而增加;其验证板上的撞击坑尺寸小,且随撞击速度的增大而减小;其弹道极限比Ly12 Al薄板的弹道极限高50%以上.分析认为,超高速撞击下Ti6Al4V/Ly12 Al/聚酰胺纤维密度梯度薄板中高阻抗的Ti6Al4V产生的峰值冲击压力比Ly12 Al薄板的峰值冲击压力高,这增强了对弹丸的破碎能力;而其中的聚酰胺纤维层延长了冲击波在薄板中的传播时间,增大了冲击波的耗散,使撞击过程中转化的不可逆功增多,从而消耗了弹丸更多的动能.使用这种密度梯度材料作为防护屏具有很好的抗撞击能力,在航天器空间碎片防护工程应用中具有很大的潜力.     

Factors influencing the ballistic impact resistance of elastomer-coated metal substrates

An experimental study was carried out of various factors affecting the ballistic penetration resistance of elastomer/steel bilayers. For blunt penetrators, the contribution of the coating to performance is optimized using the hardest substrates, front surface placement of the elastomer, and (when normalizing by added weight) thin, ca. 2–3?mm, coatings. These results, none of which are predicted by existing models, evince the marked coupling of coating and substrate in the impact response of the bilayer. We also show that nanoparticle fillers have a modest effect on ballistic performance of polyurea coatings, changing the penetration velocity by a few percent or less. This contrasts with the linear dynamic mechanical behavior, which shows much more significant increases in energy absorption due to nano-reinforcement.