CFRP层合板低速冲击响应及损伤特性研究

为了研究碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)层合板低速冲击力学性能,开展了铺层顺序为[45_4/–45_4]_(4T)的CFRP层合板落锤低速冲击试验。研究了条形冲锤冲击角度和半球形冲锤直径两个影响因素下的CFRP层合板低速冲击力学响应,同时通过凹坑深度和分层损伤面积研究了层合板低速冲击损伤特性。试验结果表明:当条形冲锤冲击角度与层合板表面纤维方向平行时以及以较小直径的半球形冲锤冲击时,最大中心位移和能量耗散较大,凹坑深度和分层面积也较大;在冲锤直径和冲击角度两个单因素变量下,凹坑深度与分层损伤面积成正相关;直径为10 mm的半球形冲锤冲击层合板时,在凹坑区域存在明显的纤维断裂;14 mm和16 mm半球形冲锤冲击时,损伤虽目视可见,但未见明显纤维断裂。     

碳纤维增强复合材料夹芯板的砰击损伤特性

复合材料高速船舶在复杂多变的海况中航行时,由于船体结构自身的大幅升沉和纵荡运动,不可避免地会与波浪产生砰击作用,可能产生结构损伤甚至失效。采用欧拉-拉格朗日方法建立了复合材料层合板砰击数值模型,将模拟结果与文献中的试验结果进行对比,验证了流固耦合渐进损伤分析方法的可靠性。在此基础上,建立了碳纤维增强复合材料夹芯板入水砰击流固耦合数值模型,编写了VUMAT子程序,研究了复合材料夹芯板渐进损伤演化特性,分析了砰击水动力载荷、射流和水压分布特性,研究了砰击速度和斜升角对夹芯板损伤特性的影响规律。结果表明,碳纤维增强复合材料夹芯板入水砰击过程经历4个阶段,即初始增长阶段、波动阶段、急剧上升阶段和迅速下降阶段。砰击载荷作用下复合材料夹芯板产生基体损伤和分层损伤,随着砰击速度提升和斜升角增大,砰击水动力载荷逐渐增加,复合材料夹芯板面板损伤范围逐渐扩大。     

碳纤维增强复合材料层合板的抗冲击性能

为了研究碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合梁的抗冲击性能,应用金属泡沫弹撞击加载的方式,结合高速摄像机,对等厚度层合梁结构的动态响应和失效行为展开实验研究。研究不同冲击加载强度对层合梁的动态失效过程、变形轮廓、中点变形、失效模式及能量耗散比的影响。结果表明:随着冲击强度的增加,中点变形响应速度随之增加,层合梁变形模式由整体变形转变为局部变形,且局部化效应随之增加,并伴随严重的基体和纤维断裂失效。层合梁能量耗散比随冲击强度的增加而增加,并展现出与结构失效模式直接关联的弹性变形、中心断裂和完全失效3个不同阶段。     

材料动态响应的多尺度数值模拟研究

冲击作用下材料的动态力学行为是工程力学、材料、武器物理和空间物理中的重要课题,其位错的产生和演化、绝热剪切带的形成、界面的冲击熔化和微层裂等,是我们研究的热点。以上材料的动力学效应,大都发源于原子尺度的微观缺陷,跨越了多个空间尺度和时间尺度,最后发展为宏观损伤效应。迄今为止,损伤形核、长大和汇合、界面的冲击熔化等效应的理论研究仍然存在许多空白。受限于现有实验技术,损伤从微观、细观至宏观尺寸的成核和演化等诸多中间环节均没有原位实验观测,这给加载过程中材料的动力学响应分析带来很大困难。因此,数值模拟研究材料微损伤演化是理解冲击作用下材料动力学行为的有效途径之一。     

GFRP增强圆钢管在低速冲击荷载作用下的应变率效应

讨论了玻璃纤维/环氧树脂复合材料(Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP)增强Q235圆钢管在低速冲击荷载作用下的应变率效应。通过轴压试验和轴向低速冲击试验获得了试件在准静态和低速冲击状态下的力学响应(轴向荷载及轴向位移),为后续仿真工作提供了依据。编写了可以考虑初始失效、损伤演化及应变率效应的GFRP材料子程序(VUMAT),并基于ABAQUS对构件的轴压及轴向冲击过程进行了仿真再现。通过仿真将不考虑应变率效应、只考虑钢管应变率效应、只考虑GFRP应变率效应、考虑钢管及GFRP应变率效应4种情况下的结果进行了对比分析。     

含微孔洞脆性材料的冲击响应特性与介观演化机制

微孔洞显著地影响着脆性材料的冲击响应,理解其介观演化机制和宏观响应规律将使微孔洞有利于而无害于脆性材料的工程应用.通过建立能够准确表现材料弹性性质和断裂演化的格点-弹簧模型,本文揭示了孔洞的演化对于脆性材料的影响.冲击下孔洞导致的塌缩变形和从孔洞发射的剪切裂纹所导致的滑移变形产生了显著的应力松弛,并调制了冲击波的传播.在多孔脆性材料中,冲击波逐渐展宽为弹性波和变形波.变形波在宏观上类似于延性金属材料的塑性波,在介观上对应于塌缩变形和滑移变形过程.样品中的气孔率决定了脆性材料的弹性极限,气孔率和冲击应力共同影响着变形波的传播速度和冲击终态的应力幅值.含微孔洞脆性材料在冲击波复杂加载实验、功能材料失效的预防、建筑物防护等方面具有潜在的应用价值.所获得的冲击响应规律有助于针对特定应用优化设计脆性材料的冲击响应和动态力学性能.     

冲击载荷下增材制造金属材料的动态响应及微观结构演化研究进展

作为近20年来快速发展的制造技术,增材制造技术能够快速、直接制造形状复杂的零件,在工业领域得到越来越多的应用。在实际应用中,这些增材制造的零部件经常承受高速冲击载荷作用,因此其动态承载能力及破坏失效特征是人们关注的焦点,也给增材制造技术及其产品在国防军事、武器装备等领域的应用带来巨大挑战。首先综述增材制造技术的原理和特点;然后着重介绍在高速冲击等极端情况下增材制造金属零部件的宏/微观力学响应特征,探讨新的制造方法带来的金属材料动态性能的新变化;最后展望增材制造技术及产品在国防军事、武器装备等领域的发展前景。     

冲击载荷下非晶态碳材料的动态响应模型研究

 在一维应变冲击加载条件下，采用两个石英压力传感器进行了双值应力历史测量，对非晶态碳材料的动态响应特性进行了分析研究。研究结果表明，非晶态碳材料的冲击响应是简单稳定的，在试验冲击应力范围内为非线性弹性响应，Hugoniot曲线呈上凸的，表明材料内部传播的不是一个冲击波而是一簇压缩波，因此可采用特征线方法来解该冲击波问题，并用Riemann积分法对冲击应力过程进行修正，得到材料更精确的Hugoniot方程。还采用COPS程序对该材料的冲击响应过程进行了数值模拟，数值模拟曲线与试验曲线是很吻合的。表明采用Riemann积分法处理是合理的，此方法可以在VISAR测量中得到应用。     

冲击载荷下Ni52Ti48合金的微观响应特性

为了了解近等原子比NiTi合金在高压高应变率下的动态变形行为和微结构演化特性及机制,采用实验和分子动力学模拟方法,开展了NiTi冲击压缩和冲击加-卸载拉伸研究。在实验方面,基于大电流脉冲功率CQ-4装置,利用电磁驱动高速飞片,结合动量陷阱和软回收实验技术,开展了冲击压缩与冲击加-卸载拉伸作用下Ni_(52)Ti_(48)合金的动态变形特性研究,借助X射线衍射和电子背散射衍射显微技术,对回收Ni_(52)Ti_(48)合金样品进行微结构特征观察和分析。结果表明,Ni_(52)Ti_(48)在冲击压缩和拉伸下都没有发生马氏体相变,主要变形方式为位错滑移等塑性变形。在分子动力学数值模拟方面,计算结果很好地反映了实验观察到的微结构特征,计算得到的不同初始环境温度和不同冲击速度下Ni_(52)Ti_(48)合金的层裂强度表现出明显的卸载拉伸应变率效应。相关工作加深了对Ni_(52)Ti_(48)合金在高压高应变率下变形行为的理解和认识,为其在极端环境下的安全服役提供了参考。     

爆炸载荷作用下钢-混凝土-钢组合板的动态响应数值模拟

钢-混凝土组合结构的抗爆性能已成为防护工程和反恐防爆等领域的研究热点。以钢-混凝土-钢组合板为例,利用有限元软件ABAQUS对爆炸载荷作用(爆距为2.5~7.5 m,TNT炸药量为50~100 kg)下该结构的破坏形态和动力学性能进行了数值模拟。研究结果表明,组合板的破坏形态与炸药量和爆距有关。炸药量越大,爆距越小,组合板的破坏程度越明显。当TNT炸药量为100 kg、爆距为2.5 m时,组合板发生明显的翘曲,出现了塑性铰。钢板的存在有效地抑制了核心混凝土的剥落。在爆距相同的条件下,炸药量越大,组合板的变形越明显,跨中挠度和峰值速度也越大。当炸药量相同(100 kg)时,与爆距为7.5 m相比,爆距为5.0 m时组合板的跨中挠度为其1.53倍,爆距为2.5 m时组合板的跨中挠度为其5.01倍。     

内凹负泊松比蜂窝结构的面内双轴冲击响应

利用有限元模拟方法研究了内凹负泊松比蜂窝结构的面内双轴冲击响应。用节点扰动方法建立了具有不同规则度的内凹负泊松比蜂窝结构,并将其在不同冲击速度下的变形模态、应力-应变曲线和能量耗散能力与规则蜂窝进行了对比分析。结果表明,冲击速度是内凹蜂窝结构变形模态最主要的影响因素。此外,在双轴冲击下,由于不规则度的引入,延长了应力-应变曲线的平台阶段,抑制了结构的各向异性程度,从而使结构的变形特征从局部密实转向整体密实。在能量吸收能力方面,结构的不规则性导致了密实化阶段的滞后,因此在相同的压缩程度下,其塑性耗散能低于规则模型。     

橡胶夹层厚度对复合靶板抗射流侵彻性能的影响

 通过分析应力波在橡胶复合靶板中的传播特性,研究了复合靶板上各层质点速度在应力波作用下的变化情况,分析了应力波在橡胶复合靶板对射流干扰中的作用,结合射流在空气中的断裂模型,提出了射流在复合靶影响下的断裂模型;分析了橡胶夹层厚度对复合靶板抗射流侵彻性能的影响;通过脉冲X光照相技术和穿深实验,研究了橡胶夹层厚度不同时,在射流以68°倾角侵彻下,橡胶复合靶板对56 mm口径基准成型装药射流的干扰情况及射流的剩余侵彻能力。研究结果表明：理论分析与实验结果相吻合;橡胶复合靶板对射流有很好的干扰作用;在满足结构效应的情况下,随着天然橡胶夹层厚度的增加,应力波对射流的干扰能力降低,射流的变形程度减小,复合靶板的防护能力降低。     

金属蜂窝夹芯结构抗水下冲击性能

为揭示高强度水下爆炸冲击载荷作用下金属夹芯结构的抗冲击性能,在实验室开展小尺寸水下爆炸加载技术对金属蜂窝夹芯结构性能影响的实验研究。基于实验结果,开展了全尺寸数值模拟金属蜂窝夹芯结构在水下冲击载荷作用下的动态响应和抗冲击性能研究。结果表明,数值模拟、实验和理论模型计算的结果具有良好的一致性。由于蜂窝芯材相对密度对夹芯结构能量耗散方式和载荷传递机制的影响,结构动态响应、失效模式以及抗冲击性能随着冲击强度的变化表现出较为明显的不同。通过抗冲击参数分析,建立了反映金属蜂窝夹芯结构抗冲击性能的结构横向变形、固支反力、透射脉冲和塑性能耗随冲击强度和芯材相对密度变化的结构-载荷-性能量化关系。     

植入碳纤维蜂窝夹芯结构的光纤光栅热载荷响应光谱研究

针对航天领域复合材料结构在空间服役环境的热响应监测需求,研究了一种热载荷作用下基于光纤Bragg光栅(FBG)反射光谱特征分析的碳纤维蜂窝夹芯结构监测方法。将光纤Bragg光栅传感器分别植入碳纤维蜂窝夹芯结构的不同铺层,通过监测不同热载荷下各铺层位置的光纤光栅反射光谱,得到碳纤维蜂窝夹芯结构相关铺层位置热应变特征。研究表明,碳纤维蜂窝夹芯结构不同材料铺层的热应变特征存在一定差异。植入外蒙皮表面与玻璃布之间的光纤光栅反射光谱随着温度升高,中心波长向长波方向漂移,且波形未出现明显改变。埋植于外蒙皮第二、三层碳纤维织物预浸料之间的光栅反射光谱随着温度降低逐渐出现旁瓣、多峰等啁啾效应,其主峰与右侧次峰中心波长均向短波方向逐渐漂移,主峰峰值幅度变化较小,温度灵敏度约为5.56×10-3 dBm·℃-1,而右侧次峰幅度显著增大,温度灵敏度约为40.32×10-3 dBm·℃-1;埋植于内蒙皮和蜂窝芯子之间的光栅反射光谱随着温度降低,其半波峰带宽逐渐增大,变化率约为3.19 pm·℃-1,且出现显著多峰趋势,这是由于层间热应力分布不均匀所形成。在-70~+60 ℃温度范围,各植入层热应变均随温度升高而增大,且变化趋势相接近,而在+60~+120 ℃温度范围内,各植入层热应变变化趋势呈现显著差异。这些特性能够为后继空间环境复合材料航天器结构状态在轨监测提供有益帮助。     

冲击载荷下仿贝壳砖泥结构的动态响应

贝壳作为典型的抗冲击生物材料,具有轻质、高强、高韧等优异性能。通过构建仿贝壳砖泥结构有限元模型,并对其在落锤冲击载荷下的动态响应进行数值模拟,分析了堆叠层数、冲击速度及锤头类型对仿贝壳砖泥结构能量吸收性能的影响。结果表明:5类堆叠层数下的仿贝壳砖泥结构的比吸能呈先增加后减小的变化趋势,并且在所设计的5类堆叠层数结构中,3层仿贝壳砖泥结构具有最大的比吸能,其值较比吸能最小的单层结构提高了10.8%;随着冲击速度的提升,结构载荷峰值及能量吸收均略有增大;相同锤径下,圆柱形锤头较半球形锤头更易穿透模型。     

梯度泡沫铝的各向异性压溃力学行为

功能梯度泡沫金属因其密度连续变化,在轴向受压时可提供稳定增长的反馈载荷。然而当前研究多局限于其纵向压缩力学响应,考虑到实际应用中可能出现的横向冲击,基于低速冲击实验,考察梯度泡沫铝轴向和横向压缩力学响应的异同,并采用数字图像相关技术和数值模拟方法研究其宏细观压溃机制。结果表明:(1)在力学性能上,相比于纵向压缩加载的梯度泡沫铝,横向压缩加载下具有更高的抗压强度,而平台应力、致密化应变和能量吸收效果低于纵向压缩;(2)在失效变形模式上,纵向压缩变形模式为变形带渐进式压缩,而横向压缩变形模式的变形带则随机出现在试样的各个位置;(3)横向压缩下梯度泡沫铝致密化应变和比吸能的减小是由高孔隙率区的胞孔利用率降低导致的;(4)构建的弹性-塑性硬化-刚性模型能够较准确地描述梯度泡沫铝的纵向压缩力学行为。研究结果可为梯度泡沫金属在爆炸冲击结构防护工程中的设计提供理论参考。     

钢纤维混凝土板在冲击与爆炸荷载下的K&C模型

钢纤维混凝土(Steel fiber reinforced concrete,SFRC)具有优异的延性、韧性及能量吸收能力,被广泛应用于各类防护结构。K&C模型已成为研究普通混凝土构件动力响应的常用材料模型,但仍无法准确表征SFRC的动力特性。为了提高K&C模型在冲击及爆炸荷载作用下预测SFRC板动力响应的能力,对K&C模型进行了改进:基于大量三轴压缩实验数据,建立了新的失效强度面参数模型;采用反复试验法,建立了新的损伤演化模型,并校准了拉、压损伤参数;基于大量高应变率下SFRC的单轴压缩实验数据,建立了新的受压动力增强因子模型。通过LS-DYNA显式有限元动力分析软件模拟了SFRC板的动力响应,模拟结果验证了上述改进的有效性与可靠性。     

非饱和黏土平板撞击实验及状态方程的研究

利用口径为24mm的二级轻气炮实验装置,结合磁测速和光纤探针动态测试技术,分别对含水率为0、8%和15%的3种非饱和黏土试样进行了平板撞击实验,试样的压力峰值区间为1.29~32.54GPa。实验结果表明,含水率对非饱和黏土的冲击压缩特性影响明显。当非饱和黏土受到冲击压缩时,孔隙被进一步压实,滞留在黏土孔隙中的水和空气来不及排出,从而与黏土中的固体颗粒一起,共同支配非饱和黏土的冲击压缩特性;而由于水的相对不可压缩性,导致黏土的可压缩性随着含水率的升高而下降。提出一种修正的三相混合物状态方程,对3种含水率试样的压力-密度曲线进行了拟合,结果表明,该状态方程能够较好地描述不同含水率非饱和黏土的压力-密度关系。     

陶瓷和仿珍珠母陶瓷/聚脲复合结构的冲击损伤对比

建立了陶瓷梁受平头弹撞击的有限元模型,模拟了其冲击损伤演化过程,模拟结果与实验结果吻合较好,验证了模型的合理性。在此基础上,建立了仿珍珠母陶瓷/聚脲复合梁受相同弹体撞击的有限元模型,将其损伤演化过程与陶瓷梁进行了对比,并且分析了弹体撞击速度对两者损伤过程的影响。结果表明:在高速撞击下,陶瓷梁的损伤呈锥状扩展,梁发生整体性破坏,而仿珍珠母复合梁的损伤沿纵向(冲击方向)呈圆柱状扩展,梁发生局部性破坏,能更好地保持结构完整性;随着弹体撞击速度的增加,陶瓷梁的损伤范围加大,损伤程度加剧,而仿珍珠母复合梁的损伤范围在撞击速度高于一定值后变化不大,仅损伤程度增加。