复合装甲抗侵彻性能的数值分析

用数值分析的方法分别对金属、陶瓷、纤维增强复合材料组成的层合板和由陶瓷球填充的金属四边形蜂窝夹芯结构在冲击载荷作用下的抗侵彻性能进行了模拟计算.其中冲击载荷由12.7mm 直径的刚性穿甲弹模拟.研究了不同构型靶板在侵彻过程中对动能量的吸收机理,分析了两种复合靶板各组分材料的吸能特性,并比较了不同靶板的弹道极限速度V50.研究结果表明:在相同面密度条件下,层合复合靶板中具有最强抗弹性能的陶瓷层与纤维层的最佳比例是2.22,其与4340钢均质靶板相比质量减轻了33%;蜂窝填充陶瓷结构的靶板中灌注环氧树脂后其弹道极限速度提高了13%.     

纤维增强复合材料层合板弹道冲击研究进展

近20多年来, 纤维增强复合材料层合板, 在结构防护领域大量使用, 由于层合板结构及材料特性的复杂, 其弹道吸能机理十分复杂, 影响因素包括靶板的几何尺寸、结构形式、材料力学特性及层间粘结、弹形及弹速等诸多方面.本文主要针对近10年的研究工作, 侧重于实验技术、弹道冲击实验研究、经验公式及理论分析模型等几方面的发展, 进行了回顾和展望.同时, 对于弹道侵彻力历程、材料的动态力学特性以及数值分析技术在层合板弹道冲击问题上的运用及发展等方面, 也进行了简要的介绍.      

薄膜/基板层合材料几个力学问题的研究进展

本文阐述了近年薄膜／基板层合材料在力学性能、破坏模式、残余应力等几个问题的研究进展并对薄膜／基板层合材料的表面增强与表面损伤问题作了初步探讨     

复合材料层合板面内渐进损伤分析的CDM模型

基于连续介质损伤力学,提出了一个预测复合材料层合板面内渐进损伤分析的模型,它包括损伤表征、损伤判定和损伤演化3 部分. 模型能够区分纤维拉伸断裂、纤维压缩断裂、纤维间拉伸损伤和纤维间压缩损伤4 种损伤模式,定义了与4 个损伤模式对应的损伤状态变量,导出了材料主轴系下损伤前后材料本构之间的关系. 损伤起始采用Puck 准则判定,损伤演化由特征长度内应变能释放密度控制. 假定材料服从线性应变软化行为,建立了损伤状态变量关于断裂面上等效应变的渐进损伤演化法则. 模型涵盖了复合材料面内损伤起始、演化直至最终失效的全过程. 完成了含孔[45/0/-45/90]_2S 层合板在拉伸和压缩载荷下失效分析,结果表明该模型能合理进行层合板的强度预测和损伤失效分析.      

复合材料层合板面内渐进损伤分析的CDM模型简

基于连续介质损伤力学,提出了一个预测复合材料层合板面内渐进损伤分析的模型,它包括损伤表征、损伤判定和损伤演化3 部分. 模型能够区分纤维拉伸断裂、纤维压缩断裂、纤维间拉伸损伤和纤维间压缩损伤4 种损伤模式,定义了与4 个损伤模式对应的损伤状态变量,导出了材料主轴系下损伤前后材料本构之间的关系. 损伤起始采用Puck 准则判定,损伤演化由特征长度内应变能释放密度控制. 假定材料服从线性应变软化行为,建立了损伤状态变量关于断裂面上等效应变的渐进损伤演化法则. 模型涵盖了复合材料面内损伤起始、演化直至最终失效的全过程. 完成了含孔[45/0/-45/90]_2S 层合板在拉伸和压缩载荷下失效分析,结果表明该模型能合理进行层合板的强度预测和损伤失效分析.     

三维编织复合材料渐进损伤的非线性数值分析

基于考虑纤维束相互挤压的八边形纤维束截面单胞模型，引入周期性位移边界条件，采用 细观非线性有限元方法，建立了三维四向编织复合材料的渐进损伤拉伸强度模型. 该模型考 虑了增强体纤维束纵向非线性剪切应力-应变关系，采用Hashin型损伤失效准则定义了纤维 束的典型损伤类型，并根据纤维束和纯基体相应损伤类型所造成的材料性能退化，模拟了不 同编织角试件各类损伤产生、扩展及材料最终破坏的整个过程. 模型数值结果与实验数据吻 合较好，证明了该模型的合理有效性. 探讨了组分材料剪切非线性、损伤对材料宏观非线性 本构行为的影响，结果表明：随着编织角增大，纤维束剪切非线性效应和累积损伤对材料非 线性力学行为的影响明显增强.     

Kevlar/环氧树脂层合材料的动静态力学性能及本构关系

利用MTS和SHPB装置开展了Kevlar / 环氧树脂层合材料动静态力学性能实验研究,详细讨论了应变率和纤维铺设方式的不同所引起的材料力学行为的差异。根据实验结果提出了一种经验型本构模型,该模型不仅考虑了材料的应变率硬化、损伤软化效应,还通过增强系数的引入描述了纤维铺设方式对材料力学性能的影响。     

材料强度对层板抗弹性能和损伤特性的影响

根据纤维增强复合材料宏细观结构特征,基于ABAQUS软件平台,建立了层合板高速冲击损伤三维有限元分析模型。该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层,采用三维粘弹性本构,结合Hashin失效准则模拟单层板面内损伤.利用该模型,深入研究了复合材料层板的抗弹性能和损伤特性,数值分析结果与实验结果吻合良好,证明了该方法的合理有效性。通过数值分析,详细探讨了材料强度参数对层板抗弹性能和损伤特性的影响规律,获得了一些有价值的结论。     

含脱层损伤复合材料层合梁冲击动力响应实验研究

对纤维增强复合材料层合梁在受轴向冲击时的动力响应问题进行了实验研究。实验以单向玻璃纤维布和环氧树脂材料制作试件,在层间预埋薄铜箔模拟脱层损伤。采用激光测速仪测量子弹速度,动态应变仪和TDS420A数字示波器记录应变时程曲线进行动力响应分析。实验结果表明铺层角度是决定材料性能的主要原因,脱层损伤的存在及大小对动力响应和发生动力屈曲有重要影响。此外,初始缺陷的影响也是不可忽视的重要因素。     

SMA纤维混杂层合梁的材料阻尼

研究一类由形状记忆合金（SMA）和普通纤维混杂而成的层合梁的阻尼特性,基于最大应变能理论提出SAM混杂层合梁的等效材料阻尼预测的数学模型,其中,单层材料的弹性性能和阻尼性能分别采用多胞模型及其阻尼细观力学分析模型确定,利用正交各向异性层合梁的铁木辛柯理论分析梁的变形,通过数值算例分析了SMA含量,纤维铺设角对梁的等效阻尼比的影响。     

复合材料板冲击损伤检测的二维间隔平滑法

本文发展了一种基于振动的复合材料板的损伤检测方法,将原有的一维间隔平滑法(1D GSM,one dimensional gapped smoothing method)发展至二维(2D GSM),并进一步提出二维间隔平滑法的标准化损伤指标.与其他多数基于振动分析的损伤检测方法不同,该方法只需分析含有损伤结构的检测数据,无需结构健康时的数据或理论、计算结果作为对比信号,即可判定缺陷的存在,并能准确定位.针对由冲击造成的准各向同性碳纤维增强复合材料板中的层裂损伤,本文采用压电片阵列组合激励的方式,得到了复合材料板多频率扭转振型的同时激励,可实现快速、高效的损伤检测.通过扫描式激光测振仪测得结构在不同固定频率下的结构响应ODS(operational deflection shapes),利用提出的二维间隔平滑法,分析得出损伤指标.实验结果表明,二维间隔平滑法可以准确地检测碳纤维增强复合材料板的冲击损伤,并具有较好的精度.     

结构间隙对夹芯式复合装甲结构抗侵彻性能的影响

采用由厚度为8 mm的前置钛合金板、面密度为60 kg/m2的高强聚乙烯纤维增强复合材料层合板抗弹芯层、厚度为8 mm的后置钢板构成的夹芯式复合装甲，模拟舰船舷侧复合夹芯舱壁结构。根据面板与芯层间是否设置20 mm的间隙，将复合装甲结构定义为无间隙式、后间隙式及前后间隙式。为研究以上3种结构在55 g圆柱体弹高速冲击下的抗弹性能及破坏机理，开展了系列弹道实验，分析了钛合金板、高强聚乙烯纤维增强复合材料层合板芯层及钢质面板的破坏模式，探讨了结构间隙对复合装甲结构抗弹性能的影响。结果表明:前置钛合金板的破坏模式为剪切冲塞，靶板背弹面产生脆性断裂并伴随碎块崩落现象；聚乙烯纤维增强复合材料板的破坏模式及钢质背板的变形范围受间隙的影响较大，前置钛合金板受间隙影响较小；相同载荷侵彻下，间隙的存在有利于提高复合装甲结构的抗弹性能。     

基于近场动力学理论的层压板损伤分析方法

提出了一种基于近场动力学理论 的纤维增强复合材料层压板的渐进损伤分析方法.在弹性力学和复合材料力学的基础上, 推导了适用于近场动力学建模的微模量和临界伸长率等基本参量, 结合经典层压板理论中的偏轴模量, 构建了适用于各向异性材料的对点力函数, 可分析3种形式的损伤:纤维断裂, 基体开裂和分层破坏.分析了含圆孔层压板在拉伸载荷作用下的破坏过程, 预测结果与试验结果吻合良好.     

Kevlar层合板动静态侵彻贯穿特性的实验研究

本文以Kevlar/环氧树脂层合材料为对象,通过动静态侵彻实验,研究层合板的抗贯穿特性。利用MTS810材料试验机进行准静态侵彻实验,根据测得的加载载荷-位移曲线及靶板的破坏模式,分析了靶板的准静态侵彻行为。实验指出,准静态侵彻时层合板的整体弯曲变形是其主要吸能模式,织物铺层板的吸能量要高于无编织铺层板,表现出更好的抗侵彻性。采用7.62mm口径滑膛枪开展了初速为200～700m/s的弹道冲击实验,讨论了不同弹形弹丸侵彻靶板的效果以及不同铺设方式靶板的抗弹性能和破坏模式。通过与准静态侵彻实验结果的对比,发现靶板的抗侵彻性能和破坏模式与侵彻速度有明显关系。动态侵彻时层合板的破坏局域化,破坏模式多样化。弹形对侵彻效果的影响主要体现于接近弹道极限的低速段。     

An analytical model for high velocity impacts on thin CFRPs woven laminated plates

An analytical model to study the impact process of a spherical projectile penetrating at high velocity into a carbon/epoxy plain woven laminate is developed in this work. The model is based on an energy balance, where the kinetic energy of the projectile is absorbed by the laminate by three different mechanisms: laminate crushing, linear momentum transfer and tensile fiber failure. A non-homogeneous differential equation is obtained. A subsequent simplification using regular perturbation analysis gives a closed-form solution that allows the approximative calculation of the residual velocity and hence the ballistic limit. The model is validated with the results of experimental tests in which the residual velocity is measured by means of high speed cameras.     

陶瓷/液舱复合结构抗侵彻数值分析

为研究陶瓷/液舱复合结构抗侵彻机理,在前期弹道冲击实验结果基础上,运用LS-DYNA进行了数值模拟,再现了陶瓷/液舱复合结构在弹体冲击下的破坏过程和破坏模式,得到与实验一致的结果。结果表明:弹体撞击结构后,结构内产生的冲击波以撞击处为圆心、以球形向前传播,并在结构内来回反射振荡;弹体在水中运动时,水中形成空泡且不断扩展,弹体头部水域形成高压区域;弹体发生墩粗和侵蚀破坏,在低速冲击下,弹体破坏主要发生在穿透陶瓷和前面板过程中,在高速冲击下,弹体破坏主要发生在水中运动阶段,最终形成类似“饼状”的严重变形;前、后面板发生局部破坏和整体变形,在高速弹体撞击下,后面板将发生花瓣开裂。     

On the birefringent-coating method of stress analysis for fiber-reinforced laminated composites

A general relation based upon laminated-plate theory is developed which relates the state of stress throughout the thickness of the fiber-reinforced composite laminate to experimentally determined surface strains. The usefulness of the developed relation is discussed through an example given for a typical graphite-epoxy structural laminate. Birefringent coatings employed as a method to determine laminate surface strains are investigated. Isochromatic disturbances in the vicinity of a laminate free-edge, due to a Poisson's ratio mismatch between coating and laminate and interlaminar stress transfer between discrete lamina of the laminate, are investigated through exact elasticity solutions.     

Electro-elastic analysis of fiber-reinforced multilayered cylindrical composites with integrated piezoelectric actuators

Based on the electro-mechanical coupling theory and the laminate elasticity theory, an electro-elastic solution is obtained for the fiber-reinforced cylindrical composites with integrated piezoelectric actuators when subjected to mechanical and electrical loadings. The hybrid composite is composed of three parts: internal piezoelectric actuator, fiber-reinforced laminated interlayer, and external piezoelectric actuator. The general solution in each piezoelectric smart layer is obtained by introducing three undetermined constants, and the general solutions in the fiber-reinforced laminated interlayer are obtained by means of the state-space method. The mechanical behaviors of the hybrid fiber-reinforced cylindrical composites are investigated. The illustrative examples show that the fiber’s angle, the stacking sequence as well as the applied electric loading strongly affect the physical fields in the fiber-reinforced multilayered cylindrical composites.     

Deformation and Failure Modes of Soft Steel Projectiles Impacting Harder Steel Targets at Increasing Velocity

The present paper describes an experimental and numerical study concerning the impact of blunt steel projectiles against harder steel plates, at impact velocities between 200 and 800 m/s. In contrast with previously published observations, three modes of deformation and failure of the soft steel projectiles were observed in the present study. These included: Taylor cylinder mushrooming, sunflower-like petalling and plugging perforation. Individual velocity ranges and the transitions between the deformation/failure modes are identified by both experiments and numerical simulations. Complex material failure mechanisms of projectile and target play conflicting roles in the various penetration stages. Johnson–Cook models of strength and accumulative damage failure are employed in 3D numerical simulation to describe material behavior of both projectile and target. Computational evolutions of each scenario are offered in detail to understand the deformation and failure of projectile and target plate.     

基于单射流冲击试验的复合材料高速雨滴撞击损伤研究

飞行器高速飞越云雨区时,前表面会受到雨滴的冲击侵蚀。基于一级轻气炮搭建了一种单射流冲击试验平台用于材料雨蚀试验,可产生速度200～600 m/s、直径4～7 mm、头部呈光滑圆弧形的稳定水射流;并对一种碳纤维树脂基复合材料层合板进行了不同速度和直径的单射流冲击试验。结果表明,复合材料单次水射流冲击的典型损伤形貌为:冲击表面凹陷,中心几乎完好无损伤,周围产生一环状损伤带,环内有树脂去除、基体开裂、少量纤维断裂等损伤形式;内部损伤主要由基体开裂和层间分层组成。损伤尺寸呈现典型的各向异性,纵向尺寸大于横向尺寸;随射流速度和直径的增加,表面环状损伤和内部损伤的尺寸均向外扩展,环状损伤面积和内部分层面积也随之增加。水锤压力的压缩和卸载、侧向射流的剪切和应力波的相互作用是造成复合材料单射流冲击损伤的主要机理。