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。     

复合材料层合板低速冲击损伤分析的连续介质损伤力学模型

针对复合材料层合板低速冲击损伤问题,提出了一种各向异性材料连续介质损伤力学模型,模型涵盖损伤表征、损伤起始判定和损伤演化法则3 个方面. 通过材料断裂面坐标下的损伤状态变量矩阵完成损伤表征,并考虑断裂面角度的影响,建立了主轴坐标系下的材料损伤本构关系. 损伤起始由卜克(Puck) 失效准则预测,损伤演化由断裂面上的等效应变控制,服从基于材料应变能释放的线性软化行为. 模型区分了纤维损伤和基体损伤,并根据冲击载荷下层内产生多条基体裂纹继而扩展至界面形成层间裂纹(分层) 的试验观察,引入基体裂纹饱和密度参数表征层间分层. 以[0₃/45/-45]_S 和[45/0/-45/90]_4S 两种铺层的复合材料层合板为例,预测了不同冲击能量下复合材料层合板的低速冲击损伤响应参数,试验结果证明了连续介质损伤力学模型的有效性.模型在不同网格密度下的计算结果表明单元特征长度的引入可以在一定程度上降低损伤演化阶段对网格密度的依赖性.      

仿生波纹夹层结构耐撞性分析及优化

为提高薄壁夹层结构耐撞性,以虾螯为仿生原型,设计梯度分布的仿生波纹形夹层结构,包括单层、双层和三层波纹结构。以初始峰值载荷F_p、比吸能E_s为耐撞性指标,利用有限元法分析了单元高宽比γ（γ₁、γ₂和γ₃分别为单元第1层、第2层和第3层的高宽比）对波纹夹层结构耐撞性的影响,采用多目标粒子群优化方法得到了夹层结构最优参数。结果表明,单层波纹结构耐撞性随单元高宽比γ的增大逐渐变差,双层波纹结构下层结构单元高宽比γ对耐撞性的影响大于上层结构单元高宽比γ对耐撞性的影响,较小的γ值有利于提高三层波纹结构的比吸能。结构优化结果表明:单层结构最优尺寸γ₁为0.8;双层结构最优尺寸为γ₁ = 0.5和γ₂ = 1.2;三层结构最优组合为γ₁ = 0.6,γ₂ = 0.6和γ₃ = 0.9。上述结果可为薄壁夹层结构轻量化设计提供新思路。     

不同应变率下蓝宝石透明陶瓷玻璃的力学响应

蓝宝石（A1₂O₃）是透明陶瓷玻璃,它相较传统陶瓷（A1₂O₃）有优良的透光性,而且保留了陶瓷优良的力学性能。利用电子拉伸机和分离式霍普金森杆设备对试样进行准静态应变率为(10?4、10?3、10?2 s?1)和4种动态应变率(850、1 100、1 300、1 450 s?1)下的单轴压缩力学行为,用高速摄像机记录了蓝宝石透明陶瓷玻璃试样在准静态和动态压缩下的破坏过程。实验结果表明:从加载过程中的应力应变曲线是由加载段和失效段组成的,该材料是典型的脆性材料,并且有明显的应变率效应,随着应变率的提高,蓝宝石透明陶瓷玻璃的抗压强度也会提高;准静态和动态压缩下蓝宝石透明陶瓷玻璃都是在宏观裂纹扩展作用下失效破坏。通过分析不同应变率下蓝宝石透明陶瓷玻璃的破坏过程,分析得到该材料的失效是在加载的过程中,在蓝宝石透明陶瓷玻璃承载能力最低的区域出现裂纹源,然后裂纹成形并沿着加载方向扩展,然后裂纹之间相互交错,最终达到饱和状态破坏失效;在高应变率下,极短的时间内产生多处裂纹源,需要更大的能量去使裂纹成形、扩展,宏观上就表现为应变率效应。     

Al2O3陶瓷动静态压缩下碎片形貌与破坏机理分析

为探究Al₂O₃陶瓷的宏观力学响应与破坏机理，分别利用材料试验机和分离式霍普金森压杆对其进行准静态和动态压缩实验，同时通过原位光学成像观测试样的破坏过程，并利用同步辐射CT和扫描电镜（SEM）对回收碎片的尺寸和形状以及微观破坏模式进行表征分析。宏观强度数据表明，Al₂O₃陶瓷的抗压强度符合Weibull分布，且与加载应变率呈现指数增长关系。原位光学成像和SEM回收分析共同揭示了动静态加载下裂纹成核与扩展模式存在明显差异。准静态加载时材料微观上更易发生沿晶断裂，宏观表现为劈裂裂纹较少，且倾向于沿加载方向传播并贯穿整个试样；而动态加载时穿晶断裂占主导地位，劈裂裂纹明显增加并发生相互作用，因此在传播过程中容易分叉而形成大量次生裂纹，提高了试样内裂纹密度。这与碎片的CT表征结果一致，即碎片平均球形度和伸长、扁平指数等均随应变率对数线性增加。破坏模式的改变最终导致高应变率下陶瓷材料应变率敏感性显著增强。     

中低速压缩加载下不同截面构型复合材料薄壁结构吸能特性及失效分析

为研究开剖面复合材料薄壁吸能结构的吸能特性,基于高速液压伺服试验系统,开展了开剖面复合材料薄壁结构轴向压缩试验,分析了截面构型、截面长宽比、触发模式及加载速度对其吸能特性的影响,揭示了其在压溃过程中的失效及吸能机理。研究结果表明,复合材料薄壁结构压溃过程中主要通过材料弯曲、分层、剪切破坏以及压溃区之间的摩擦吸能。截面构型对其吸能特性影响显著,其中,帽形及Ω形试件的平均压溃载荷较C形试件分别高出14.1%和14.6%,比吸能较C形试件分别高出14.3%和14.8%;截面长宽比对复合材料薄壁结构吸能特性的影响不如截面构型明显;触发模式主要影响吸能结构的初始压溃阶段,在降低峰值载荷方面,C形试件采用45°倒角触发效果更好,帽形试件采用15°尖顶触发效果更好;当加载速度从0.01 m/s提高到1 m/s时,C形、帽形及Ω形试件的平均压溃载荷分别下降了6.1%、10.9%和6.1%,比吸能分别下降了6.2%、11.0%和6.2%。     

大开口复合材料层合板强度破坏研究

复合材料层合板的各向异性及非均质,使得复合材料层合板内部的破坏形式非常复杂.在复合材料结构的设计中,为满足制造及使用功能上的需求,在复合材料层合板承力结构件上不可避免地需要设计各种开口.然而,含大开口复合材料层合板的强度破坏问题变得更为复杂,使得现有的强度理论面临新的挑战.针对碳纤维增强复合材料大开口层合板受单向拉伸载荷作用下的强度破坏问题进行了数值分析和实验研究.首先,根据Hashin准则和刚度退化模型,对含不同圆形开口尺寸的[0]_(10)单向铺层、[0/90]_5和[±45]_5正交铺层的层合板,进行了单向拉伸载荷作用下渐进失效的数值模拟分析,获得了对应结构的极限载荷和破坏模式.在此基础上,采用数字图像相关方法,进行复合材料大开口层合板强度破坏的实验研究.研究结果表明,大开口复合材料层合板在单向拉伸加载下主要呈现脆性破坏形式,破坏起始位置处于应力集中区.此外,破坏强度和失效模式与复合材料铺层方式和开口尺寸大小密切相关.其中[±45]_5铺层的开口层合板承载能力最弱,分层破坏最严重.开口尺寸越大,结构的极限载荷值越低.同实验测试结果相比,数值模拟对复合材料层合板的损伤失效分析略显不足,往往很难全面分析复合材料层合板破坏失效过程中的各种因素的影响.     

准一维应变下Al2O3陶瓷动态压缩失效的实验研究

为了考察Al2O3陶瓷准一维应变下的力学性能,采用LY12铝套筒和45钢套筒对陶瓷试样进行了环向约束,在准静态和动态下分别进行了压缩实验,得到了材料的应力-应变曲线。实验结果表明,Al2O3陶瓷的轴向压缩强度基本上随围压的增大而增大,动态压缩加载下的轴向压缩强度随应变率增大而增大。Al2O3陶瓷在准一维应变下的破坏形式为裂纹破坏,准静态的脆性失效行为可以用Mohr-Coulomb失效准则来描述。     

复合材料刚度性能表征的协同损伤力学模型

针对复合材料层合板的弥散型损伤,提出一个刚度性能表征的协同损伤力学模型. 该模型兼顾了微观物理损伤响应和宏观材料刚度性能表征. 从微观角度,建立细观RVE 模型求解裂纹表面张开位移和滑开位移,以此定义损伤张量,并在宏观上通过对材料应变和损伤表面位移进行均匀化处理,建立单向板或层合板的损伤刚度矩阵和损伤张量之间的联系. 以基体裂纹为例,详细分析并建立了横向裂纹和纵向裂纹的损伤本构. 计算了[±θ/90₄]_S 铺层层合板中基体横向裂纹对刚度性能的影响,结果表明该方法能够准确地预测复合材料层合板由损伤导致的刚度性能衰减.      

胆碱杂环二酸离子液体水润滑添加剂的制备及结构-性能关系研究

以胆碱和杂环二酸为原料,在去离子水中原位制备了添加剂[Ch]₂[Hdc],并研究了它们的摩擦学性能、腐蚀性、水生生物毒性与分子结构之间的构效关系. 研究发现,水溶液的运动黏度随着水中生成的[Ch]₂[Hdc]浓度的增加而增大,并且当[Ch]₂[Hdc]的分子结构对称性较低、极性较大时,水的黏度增加值相对较大. 这是由于添加剂分子极性较大时,分子间相互作用力较大,导致溶液的黏度增幅更大. 摩擦学性能测试发现,当[Ch]₂[Hdc]的浓度相对较低时,水溶液的减摩抗磨性能与[Ch]₂[Hdc]分子在摩擦副表面的吸附能力有关,分子极性较大,吸附能力较强的[Ch]₂[Hdc]可在摩擦副表面形成更为牢固的润滑保护膜,因而能有效改善水的减摩抗磨性能,反之则不能. 当[Ch]₂[Hdc]的浓度相对较高时,水溶液的减摩性能与其黏度呈反相关关系,抗磨性能则与其黏度呈正相关关系. 这是由于润滑剂黏度相对较大时,其内摩擦力较大,因而表现出较高的摩擦系数,即较差的减摩性能;然而,黏度相对较大的润滑剂则可以在摩擦副表面形成更为牢固的润滑保护膜,因而表现出较低的磨损体积,即较好的抗磨性能. 腐蚀试验结果表明,[Ch]₂[Hdc]可显著降低水对金属基底材料的腐蚀性. 毒性试验显示[Ch]₂[Hdc]对绿藻和海虾毒性远远小于传统离子液体L-B104.      

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.     

大理岩动态拉伸强度及弹性模量的SHPB实验研究

提出了获取脆性材料动态拉伸强度及弹性模量的实验步骤及相关记录数据的分析方法。利用直径为100mm的分离式Hopkinson压杆径向冲击巴西圆盘和平台巴西圆盘试样,测试了大理岩在高应变率加载下的动态力学性能。应力波加载下动态劈裂拉伸圆盘在试样中心产生了约45/s的拉伸应变率。分析了实验的有效性并考虑了试样两个端面应力波波形差异的影响以提高实验结果的精度。结果表明准静态下的公式可适用于动态劈裂拉伸实验;大理岩的动态拉伸强度及弹性模量比静态时有明显的增加。     

复合材料层板损伤后刚度衰退的实验研究

对复合材料单向板进行了0°、90°、45°拉伸实验,对铺层为[0°/90°]、[±45°]的层合板进行了拉伸实验,对玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维缠绕的NOL环试样分别进行了短梁剪切实验。实验结果表明:碳纤维/环氧树脂基体复合材料单向板没有明显的非线性行为,而层合板在树脂开裂、面内及层间剪切破坏导致的刚度降低却很明显。层间剪切破坏不仅导致剪切刚度的降低,还会引起弯曲刚度的降低。玻璃纤维、芳纶纤维增强树脂基复合材料在三点弯曲实验过程中体现了较强的抗损伤能力,韧性较好;而碳纤维增强树脂基复合材料抗层间损伤能力较差。本文用标准实验方法,跟踪载荷-变形曲线,得到了用于应力分析的刚度衰减系数。用最大应力准则及实验得到的刚度衰减系数,对直径为1400mm的纤维缠绕壳体进行了变形分析,计算结果与实验值一致性较好。     

PMMA材料的动态压缩力学特性及应变率相关本构模型研究

利用INSTRON万能试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB)对PMMA试件在较宽应变率范围内进行了单轴压缩实验,研究加载应变率对PMMA材料力学性能的影响.利用扫描电子显微镜对回收的试样进行了显微观察,重点分析不同加载应变率下PMMA的微观损伤破坏模式.结果表明:随着应变率的增大,PMMA的流动应力显著地增加,且冲击加载条件下,峰值应力的应变率敏感性明显高于准静态;在准静态加载条件下,PMMA试样呈现明显的延性破坏特征,在动态加载条件下则表现为脆性破坏.最后,对PMMA材料的ZWT粘弹性本构模型参数进行了拟合,拟合结果与实验结果吻合较好,表明该本构模型能够较好地描述较宽应变率范围内PMMA材料的应力应变关系.     

正多边形基多胞薄壁管的吸能特性

多胞薄壁结构具有轻量化、高比吸能的特点，在汽车、轮船、航空航天等领域得到了广泛的应用。已有研究表明结构的耐撞性与结构的拓扑方式及胞元数量密切相关。为了研究结构形状和拓扑优化对其吸能效果的影响，基于正多边形结构，通过内嵌多边形和外接圆管的方式设计了两类新型多胞薄壁结构，并对这两类多胞薄壁结构进行准静态和落锤冲击实验，利用高速相机记录结构的变形模式，并定量分析了结构的吸能特性。实验结果表明:除正三角形二级内嵌四边形所得结构在准静态加载实验后期出现了局部失稳现象外，其余结构在准静态和落锤冲击实验过程中均保持垂直受压，结构变形模式与吸能效果较好。通过比较两类结构的实验结果得出:不论是在准静态加载还是在落锤冲击的情况下，内嵌多边形结构的各项吸能指标都明显优于外接圆管的结构；同等质量的情况下，内嵌四边形结构的吸能效果明显优于内嵌三角形的结构。     

砂土统一模型的显式计算及加载速度影响研究

以砂土体渐进破坏问题为背景，采用显式方法进行高、低压下砂土统一模型的二次开发以克服隐式算法在软化计算中的强非线性不收敛问题，实现具有剪胀软化、剪缩硬化特性材料的模拟计算．在此基础上开展三个压力等级、不同位移加载速度条件下的平面应变压缩试验，分析位移加载速度对显式计算结果的影响效应．通过分析得到结论：(1)采用动力学显式算法对常压至高压范围的砂土统一模型进行计算是可行的，受荷响应随加载速度的降低逐渐趋于稳定并最终得到静力学计算结果，能够反映砂土在低压下的剪胀软化以及高压下的剪缩硬化特性；(2)砂土统一模型的显式计算结果受加载速度的影响呈双折线趋势，并存在加载速度界限值，试样在加载速度界限值前后呈现不同的受荷变形破坏形态；(3)采用显式计算方法开展砂土统一模型的准静态模拟过程中，须结合计算结果偏差面积比随加载速度的关系曲线，来确定满足一定偏差面积比并且小于界限值的准静态位移加载速度．     

酚醛层压材料的冲击力学行为及本构模型

为了研究酚醛层压材料的冲击力学行为并获得本构模型,利用万能试验机和整形修正的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对材料试样进行了应变率范围为10-3~103 s-1的单轴压缩实验,得到了不同加载应变率下的应力应变曲线,对其在准静态、动态载荷下的压缩破坏机理进行了初步探讨。结果表明,酚醛层压材料具有较强的应变率效应,与准静态(1.67×10-3 s-1)时相比,在动态载荷(7×102 s-1)下,峰值应力增加了约10倍;破坏应变减少了约一半;在准静态和动态加载条件下试样力学性能的差异是由于纤维基体界面特性以及不同应变率下破坏模式的不同;采用朱-王-唐本构方程描述了酚醛层压材料力学行为,拟合得到了本构方程的系数,在加载过程中,理论计算值与实验结果吻合较好。     

不同铺层角含孔复合材料板的损伤研究

针对0o、45o、90o铺层角复合材料层合板的含孔结构损伤问题,提出了一种基于层合板各铺层孔边应力解析解的首次损伤载荷系数分析计算模型。根据非均匀各向异性层合板的弹性特性,采用复变函数曲线映射方法获取了层合板孔边界积分方程,计算获得了0o、45o、90o角度铺层层合板各铺层的孔边纤维主方向和垂直于纤维主方向的应力分量;采用Tsai-Hill强度理论,对层合板各铺层进行孔边首次损伤载荷系数计算。分析结果表明:试件左右两端面在受到均布拉伸载荷p的作用下,各铺层中具有90o铺层角的铺层首次损伤载荷系数最小,具有0o铺层角的铺层首次损伤载荷系数最大,说明具有90o铺层角的铺层最先出现损伤,对应铺层首次损伤出现在孔边90o方向区域。将计算值与现有文献结果进行比较,误差小于10%,二者具有较好的一致性。     

CFRP复合材料构件胶接特性及失效规律研究

对不同铺层方式和不同胶层厚度的复合材料胶接单搭结构(SLJs)的连接性能进行了研究。使用内聚力模型模拟了SLJs的胶层退化及失效过程，通过与实验对比验证了数值模型的有效性；基于改进后的三维Hashin失效准则，模拟了复合材料层合板的损伤演化。结果表明：胶层的退化形态及失效规律与胶层粘连的复合材料铺层角度密切相关，当胶层两侧粘连的复合材料铺层角度为0°时，胶层会退化形成椭圆环状；当胶层两侧粘连的复合材料铺层角度为45°或-45°时，胶层会退化形成上下中心对称的水滴状；当胶层两侧粘连的复合材料铺层角度为90°时，胶层会退化成沙漏状。0°铺层与胶层相邻时，结构的极限失效载荷最大，此时复合材料未出现损伤；当90°铺层与胶层相邻，结构的极限失效载荷最小且复合材料出现基体损伤、纤维损伤和分层损伤。胶层厚度在0.05～0.5mm时，复合材料胶接单搭结构的连接性能最好，当胶层厚度大于0.5mm,结构的连接性能会大幅下降。