铝双层板结构的前板厚度对撞击损伤影响的实验研究

低地球轨道上的航天器易受到微流星体和空间碎片的超高速撞击,导致其严重损伤甚至灾难性的失效。撞击损伤特性研究是航天器防护设计的重要问题。本文采用非火药驱动二级轻气炮发射球形弹丸,对铝双层板结构进行超高速撞击实验研究,从而模拟空间碎片对航天器防护结构的超高速撞击作用。实验得到了铝双层板结构在弹丸撞击速度为2.33±0.12km/s和4.36±0.10km/s两种情况时,其前板和后板的撞击损伤随前板厚度变化的规律,随着前板厚度的增加,前板穿孔直径增大,后板撞击中心的损伤减轻,后板上大弹坑由撞击中心移至外围。当撞击速度超过弹丸破碎速度时,后板上将出现弹坑密集分布区。实验结果表明,前板厚度的选取对双层板结构的撞击损伤区域会产生影响。     

修正金属本构模型在超高速撞击模拟中的应用

为更加准确地计算93钨合金弹超高速撞击Q345钢板问题,构建了修正的金属本构模型。引入GRAY三相物态方程描述材料相态变化,采用Johnson-Cook强度模型描述撞击后期材料的力学行为。结合封加波损伤演化模型以及Johnson-Cook失效模型描述不同应力三轴度下材料的拉伸、剪切失效行为;引入曹祥提出的断裂演化模型,描述材料失效后应力归零的过程。通过对比超高速撞击数值模拟结果与实验结果,验证了本构模型的适用性,并进一步分析了典型弹靶撞击条件下破片群的空间分布特征。研究结果表明:基于修正金属本构模型获得的超高速撞击靶板穿孔直径、弹体侵蚀长度、破片群扩展速度结果与实验结果一致;GRAY三相物态方程能够相对准确地给出弹体撞击首层靶板以及剩余弹体、破片群撞击第2层靶板时弹靶材料的熔化情况;封加波损伤演化模型能够准确判断超高速撞击过程中靶板是否产生层裂破坏;综合封加波损伤演化模型、Johnson-Cook失效模型以及曹祥提出的断裂演化模型后,数值模拟获得的破片群撞击后效靶板的穿孔面积与累积数量的统计曲线结果与实验结果一致;获得了典型条件下的柱形93钨弹体超高速撞击Q345靶板破片群空间分布结果,破片群的前端具有较高的质量、轴向动量以及横向动量（绝对值）。     

活性Whipple结构超高速撞击防护性能实验研究

以二级轻气炮作为加载手段,针对以PTFE/Al活性材料为防护屏的Whipple防护结构,开展不同弹丸尺寸、不同碰撞速度的超高速撞击实验。利用激光阴影照相设备,获得并分析了碎片云特性;通过回收的防护结构靶板,研究了活性材料防护结构超高速撞击条件下的后板损伤特性;通过与经典Christiansen撞击极限方程对比,获得活性材料Whipple结构防护性能,并拟合得到新型防护结构的撞击极限曲线。结果表明,相较于同面密度铝合金材料,活性材料超高速撞击条件下的冲击起爆反应使得碎片云中具有侵彻能力的碎片大幅减少,从而显著提升航天器的防护能力,撞击速度为2.31 km/s时最大可提升45%。     

基于小波变换的撞击流压力波动信号分析

通过小波变换对信号进行多尺度细化分析,解决了傅里叶变换不能解决的许多问题．从分析噪声和信号本身奇异点的区别入手,利用小波在时频两域突出信号局部特征能力的重要性质,即噪声信号小波变换的极大值随尺度的加大而显著减少的特点,对撞击流反应器撞击区压力波动信号进行处理分析．分析结果表明:小波变换可以较好地去除信号中的噪声;通过消噪后信号的功率谱可知,撞击流压力波动信号具有自相似的分形特征,与前期的实验研究相吻合．     

基于小波分析的实船水下爆炸船体响应特征

为了研究水下爆炸条件下船体冲击振动响应时频特征,针对某实船非接触水下爆炸实验冲击响应测试实验数据,基于小波分析及能量统计方法对响应信号进行时频特性分析,得到了实船非接触水下爆炸冲击振动响应的时频分布和能量分布。分析结果表明,采用基于小波变换的时频分析方法,可以成功获得船体冲击响应信号不同频率段下的强度、能量和作用时间等时频细节信息,包括响应信号各频段冲击峰值、衰减过程、振动能量及其在全频率段上所占的分数。通过对小波频段能量统计以及冲击强度分析发现,冲击响应能量频段分布较广,主甲板及以下甲板全频段振动能量的80%以上在312.5 Hz以上,上层建筑甲板平台各频段冲击振动能量分数向低频段转移。     

DYNAMIC MECHANICAL BEHAVIOR AND PENETRATION PERFORMANCE OF WFeNiMo HIGH-ENTROPY ALLOY 1)

为了探究不同应变速率下WFeNiMo高熵合金的变形行为和侵彻性能, 采用万能材料试验机、分离式霍普金森压杆开展了高熵合金的静动态力学性能试验, 讨论了其在不同应变速率下变形特征微观机制. 基于弹道枪试验平台开展了高熵合金与典型钨合金(93W-4.9Ni-2.1Fe,wt%)破片对有限厚钢靶侵彻作用性能试验研究, 分析了两种合金破片侵彻作用过程与靶板破坏特征、侵彻穿孔能量消耗与撞击速度间的关系. 结果表明: 高熵合金、钨合金材料屈服强度与应变率呈正相关, 且在相同的应变率下高熵合金具有更高的屈服强度; 随着应变率的提高, 高熵合金由脆性断裂、韧脆混合的准解理断裂发展至具有黏着特性的破碎变形模式; 高熵合金具有较强的局部绝热变形能力, 在侵彻薄钢靶时体现出较高的剪切敏感性; 相同撞击速度下, 高熵合金破片穿靶消耗的能量低于钨合金破片, 对于薄钢靶具有更强的侵彻穿透能力. 高熵合金具有优异的力学性能和侵彻能力, 在高速撞击薄靶板时除了传统的剪切冲塞作用还具有一定的能量释放特性, 在预制破片上有较好的应用前景.     

碳纤维/环氧树脂复合材料3.0～6.5 km/s超高速撞击成坑特性研究

为研究碳纤维/环氧树脂复合材料在超高速撞击下的成坑特性,利用二级轻气炮开展了直径为1.00~3.05 mm的铝球以3.0~6.5 km/s的速度正撞击尺寸为100 mm×100 mm×20 mm的碳纤维/环氧树脂复合材料靶板的实验,获得了碳纤维/环氧复合材料靶板的成坑形貌特征,并测量了坑深、成坑表面积、表面损伤面积等尺寸。结合文献数据分析了靶板的无量纲成坑深度p/d_p、无量纲坑径系数D_h/d_p、表面损伤面积等效直径D_e等随撞击速度、撞击能量的变化规律。结果表明:碳纤维/环氧树脂复合材料的无量纲成坑深度p/d_p和无量纲坑径系数D_h/d_p均与撞击速度呈2/3次幂关系;表面损伤面积等效直径D_e与弹丸撞击能量E呈幂函数关系;成坑深度大于成坑半径。     

超高速撞击厚靶过程的能量分配研究

超高速撞击过程的能量分配研究,对于解决动能撞击、发展导弹拦截技术、判定空间飞行器被撞事件及评估碰撞破坏程度具有重要的理论意义。本文在总结前人关于超高速撞击过程能量分配的基础上,将超高速撞击厚靶过程中弹丸的动能分配归纳为靶板的变形能、弹丸与靶板作用过程应力波传播使靶板内能的增加、撞击产生碎片的崩溅能和产生电磁辐射的辐射能,并结合理论推导、实验和数值模拟对撞击速度为2.61km/s且正碰撞2A12铝靶的能量分配进行了定量计算。研究结果表明：无论在弹坑的形貌、尺寸还是辐射温度等方面,实验测量结果、理论推导结果与数值模拟的结果均基本吻合。该研究成果在解决行驶中的车辆碰撞问题以及航空飞行器遭遇鸟撞等领域亦有重要的参考价值。     

铝合金在不同应力状态下微损伤演化的声发射研究

利用声发射技术对不同应力状态下铝合金的微损伤演化规律进行试验研究。首先,对铝合金在正断和切断两种断面取向的试样进行单轴拉伸试验,并同时采集微损伤声发射信号;其次,基于所采集的微损伤声发射信号构建了一个能够表征微损伤能量尺度特征和时间序列特征的随机损伤变量,进而通过对该随机变量的分析来研究铝合金在不同应力状态下的微损伤演化特征;最后,通过计算随机损伤变量在不同外载荷水平下的概率熵给出描述材料微损伤演化过程的一种表征。通过试验并辅以对断面的扫描电镜观测获得的结果是,同一种铝合金材料在两种不同应力状态下获得的微损伤概率熵曲线具有显著差异性,而在相同应力状态下分别针对铝合金材料1060和6063的微损伤概率熵曲线又具有一致性。上述研究结果可为探索铝合金在不同应力状态下的微损伤演化规律提供参考。     

撞击载荷下Nomex蜂窝夹芯梁的变形模式研究

本文研究了Nomex蜂窝夹芯结构在不同冲量下的变形模式和失效模式.实验采用子弹撞击的加载方式,对Nomex蜂窝夹芯梁施加大小不同的冲量,使用激光位移传感器测量每个试件后蒙皮的变形位移.分析了同芯层厚度,不同蒙皮厚度的Nomex蜂窝夹芯梁在不同冲量作用下抵抗变形的能力,以及冲量大小与蒙皮厚度对夹芯梁抵抗撞击能力的影响,计算分析了蒙皮与芯层的吸能性.实验结果表明:增加蒙皮的厚度能够改善夹芯梁在撞击荷载下抵抗变形的能力,在撞击过程中芯层吸收了50％左右的能量,且冲量越大,芯层吸收的能量越多.     

Vibration-based construction and extraction of structural damage feature index

The finite element dynamic model of a honeycomb sandwich plate is presented using different mesh division for the surface plates and the sandwich plate to accurately express the crack damage status of the plate. The experimental measurements of plate natural frequency and dynamic responses are carried out for dynamic model verification. The feasibility of detecting small crack damage according to structural natural frequency and dynamic responses is evaluated. The results show that the energy spectrum of the decomposed wavelet signals of dynamic responses has a higher sensitivity to small crack damage, and more high order modes should be included in the dynamic model for structural damage detection.     

电炮加载下芳纶蜂窝夹芯板的动力响应

研究了方形钛-芳纶蜂窝夹芯板在电炮驱动的高速聚酯飞片撞击加载下的动力响应,给出了面板和蜂窝芯层在不同冲击速度下的变形及失效模式。采用VISAR(velocity interferometer system for any reflector)测速技术测量了后面板中心点的速度时程,分析了芳纶蜂窝夹芯板的动态响应过程,讨论了冲击速度对夹芯板动力响应和抗冲击能力的影响。研究结果表明,低波阻抗的芳纶蜂窝破碎行为阻断了应力波向后面板的传播途径,破碎的蜂窝和塑形大变形的前面板吸收了高速冲击的大部分能量,充分发挥了钛合金的高强度和芳纶蜂窝的缓冲吸能特性,提高了夹芯板整体的防护能力。     

金属蜂窝夹层结构抗水下爆炸特性

金属蜂窝夹层结构是一种新型的舰船防护结构,在舰船防护领域具有广阔的应用前景,但目前缺乏对其在实际水下爆炸载荷作用下动态响应的研究。为研究金属蜂窝夹层结构在水下爆炸载荷作用下的动态响应及防护性能,设计并制备了背板加筋蜂窝夹层结构样件以及相应的浮箱,在大型露天水池中进行了水下实爆 实验;通过声固耦合算法对结构响应进行模拟,实验结果与模拟结果吻合良好,随后分析了蜂窝夹层板的变形过程及能量吸收特性,量化了载荷参数（冲击因子）及结构参数（前后面板厚度比和芯体相对密度）对结构动态响应的影响;最后,以蜂窝夹层板的面密度和后面板中心点最大变形的无量纲量为目标函数,使用NSGA-Ⅱ遗传算法对结构进行了多目标优化,得到对应的Pareto前沿。结果表明,随着冲击因子的增大,蜂窝夹层板整体变形显著增大,蜂窝芯体始终是主要的吸能构件,但其吸能占比逐渐降低;随着前后面板厚度比或芯体相对密度的增加,蜂窝夹层结构的最大变形呈现先降低后升高的趋势,同时呈现不同的变形模式,芯体相对密度对结构变形的影响更为显著;对蜂窝夹层结构开展多目标优化可有效降低结构的面密度及最大变形,优化结果可为蜂窝夹层结构的设计选型提供参考。     

嵌锁式CFRP方形蜂窝夹芯梁低速冲击响应及失效机理

采用嵌锁组装工艺制备了碳纤维/树脂基复合材料方形蜂窝夹芯梁，实验研究了低速冲击载荷下简支和固支夹芯梁的动态响应及失效机理，获得了不同冲击速度下夹芯梁的失效模式，分析了其损伤演化过程和失效机理，探讨了冲击速度、边界条件、面板质量分布以及槽口方向等因素对夹芯梁破坏模式及承载能力的影响。研究结果表明，芯材长肋板槽口方向对夹芯梁的失效模式有较大影响，槽口向上的芯材跨中部分产生了挤压变形，而槽口向下的芯材跨中部分槽口在拉伸作用下出现了沿槽口开裂失效，继而引起面板脱粘和肋板断裂；同等质量下，较厚的上面板设计可以提高夹芯梁的抗冲击能力，冲击速度越大，夹芯梁的峰值载荷和承载能力越高；固支边界使得夹芯梁的后失效行为呈现出明显的强化效应，在夹芯梁跨中部分发生初始失效后出现了后继的固支端芯材和面板断裂失效模式。     

曲壁蜂窝夹层悬臂板的振动特性研究

蜂窝结构作为一种多孔材料具有轻质、高强度、高刚度的优点, 兼具隔声降噪、隔热等优良性能, 被广泛应用于交通运输、航空航天等领域. 传统直壁蜂窝在受力后容易出现应力集中的问题, 这将导致蜂窝夹层产生裂纹破坏, 缩短夹层板的使用寿命. 针对此问题本文设计了一种以圆弧曲壁蜂窝作为芯层的蜂窝夹层板, 基于单位载荷法推导了蜂窝芯的等效参数, 建立曲壁蜂窝夹层板的动力学模型, 利用Chebyshev-Ritz方法求解悬臂边界下曲壁蜂窝夹层板的固有频率, 并用有限元方法进行对比验证, 发现前5阶固有频率的误差均在5%以内, 每阶固有频率对应的振型一致. 通过3D打印聚乳酸(PLA)制备了曲壁蜂窝夹层板, 使用万能试验机对PLA拉伸试件进行准静态拉伸测定了打印材料的杨氏模量, 搭建振动试验平台对制备的曲壁蜂窝夹层板进行正弦扫频试验、定频谐波驻留试验和冲击试验. 对比发现3D打印模型振动试验获得的前5阶固有频率与理论模型和有限元模型的计算结果三者一致, 试验发现曲壁蜂窝芯在特定频段内具有一定的抗冲击性能. 研究结果将为曲壁蜂窝在振动和隔振方面的应用提供理论支持.      

曲壁蜂窝夹层板的振动特性研究

曲壁蜂窝具有负刚度特性,可以在大变形过程中吸收能量、抗冲击,并且在冲击过后可以自我恢复而不像传统蜂窝被压溃。本文将曲梁构成的负刚度蜂窝作为芯层,建立夹层板的动力学模型;推导出了曲壁负刚度蜂窝胞元的等效弹性参数,将其周期性排列为蜂窝芯,应用Reddy高阶剪切变形理论、Von-Karman大变形关系和Hamilton原理推导了负刚度蜂窝夹层板的非线性动力学方程;应用Navier法计算了四边简支边界条件下的固有频率。并利用有限元软件ABAQUS建立模型,计算固有频率,与理论计算结果进行比较,结果显示二者的计算结果具有较好的一致性,验证了芯层等效弹性参数及模型的有效性。探讨了在蜂窝胞元具有较高吸能情形下,夹层板在不同芯层厚度、不同芯厚比以及不同胞元曲壁厚度时的固有频率的变化特性。     

四边固支蜂窝夹层板1:3内共振非线性动力学分析

基于经典叠层板理论和几何大变形理论,将铝基蜂窝芯层等效为一正交异性层,等效弹性参数由修正后的Gibson公式得出,对四边固支蜂窝夹层板非线性动力学特性进行了分析。考虑横向阻尼的影响,建立了四边固支蜂窝夹层板受横向激振力作用的受迫振动微分方程,通过振型正交化将蜂窝夹层板受迫振动微分方程简化成双模态下的动力学控制方程,利用同伦分析方法对双模态下蜂窝夹层板的动力学控制方程进行研究,得到了1:3内共振下的幅频特性曲线,研究了不同结构尺寸对动力学特性的影响以及蜂窝夹层板作稳态运动时的稳定性问题。本文得到的结果为蜂窝夹层板的设计和实际应用提供了理论依据和数值参考。     

2D-C/SiC拉伸损伤的声发射信号聚类分析

摘要：对2D-C/SiC复合材料进行常温拉伸试验,利用声发射（AE）仪在线监测其损伤过程。应用K-均值聚类算法对AE信号进行模式识别,结合扫描电镜观察,发现2D-C/SiC复合材料拉伸过程的损伤模式包括基体开裂、界面层脱粘、层间剥离、纤维断裂以及纤维束断裂等,并得到了各种损伤模式AE信号参数的中心值。通过对不同损伤模式AE累积事件数和累积能量随时间变化的统计分析,描述了2D-C/SiC复合材料拉伸损伤演化过程。     

Response and Damage Tolerance of Composite Sandwich Structures under Low Velocity Impact

The deformation and failure response of composite sandwich beams and panels under low velocity impact was reviewed and discussed. Sandwich facesheet materials discussed are unidirectional and woven carbon/epoxy, and woven glass/vinylester composite laminates; sandwich core materials investigated include four types of closed cell PVC foams of various densities, and balsa wood. Sandwich beams were tested in an instrumented drop tower system under various energy levels, where load and strain histories and failure modes were recorded for the various types of beams. Peak loads predicted by spring-mass and energy balance models were in satisfactory agreement with experimental measurements. Failure patterns depend strongly on the impact energy levels and core properties. Failure modes observed include core indentation/cracking, facesheet buckling, delamination within the facesheet, and debonding between the facesheet and core. In the case of sandwich panels, it was shown that static and impact loads of the same magnitude produce very similar far-field deformations. The induced damage is localized and is lower for impact loading than for an equivalent static loading. The load history, predicted by a model based on the sinusoidal shape of the impact load pulse, was in agreement with experimental results. A finite element model was implemented to capture the full response of the panel indentation. The investigation of post impact behavior of sandwich structures shows that, although impact damage may not be readily visible, its effects on the residual mechanical properties of the structure can be quite detrimental.