紡織復(fù)合材料低速沖擊下應(yīng)力波傳遞及低速沖擊儀改進(jìn)研究.pdf

1、　　交通事故、高空墜物傷人、工程實(shí)施過程中機(jī)械撞擊事故的頻發(fā),致使人們對諸如此類低速沖擊的防護(hù)需求越來越迫切,要求越來越高。從現(xiàn)有的文獻(xiàn)看,目前大多數(shù)學(xué)者的實(shí)驗(yàn)主要著重于低速沖擊作用過程中,復(fù)合材料自身對沖擊能量的吸收與材料損傷、損壞機(jī)理,以及防范或減緩材料損傷、損壞的方法等研究,以及紡織復(fù)合材料在被沖擊或者擊穿的情況下,對能量吸收、撓度變化等定性研究。而針對紡織復(fù)合材料在受低速沖擊下能量的傳遞情況和防護(hù)人體免受低速沖擊傷害未見深入的研

2、究,特別是沖擊力對防護(hù)材料背面人體的實(shí)際影響程度未見可行的測試與評判方法。
　　沖擊載荷作用下防護(hù)材料的能量吸收、傳遞等情況對研究防護(hù)人體免受低速沖擊傷害相當(dāng)重要。本文從低速沖擊下紡織復(fù)合材料能量的吸收與傳遞等方面出發(fā),搭建了由沖擊載荷系統(tǒng)、信號放大器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等三大部分構(gòu)成的低速沖擊應(yīng)力波測試平臺；選用有機(jī)玻璃板、樹脂分別與碳纖維、玄武巖、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的單向布或機(jī)織物復(fù)合構(gòu)成不同的紡織復(fù)合材料試樣,通過

3、沖擊實(shí)驗(yàn)檢測、分析試樣不同部位傳感器獲得的沖擊應(yīng)力波峰值、峰值時間間隔與沖擊應(yīng)力波傳遞率；應(yīng)用ANSYS軟件對低速沖擊現(xiàn)象進(jìn)行有限元數(shù)值模擬,探討沖擊應(yīng)力波在不同的紡織復(fù)合材料內(nèi)部的傳播規(guī)律；最后,針對早期低速沖擊測試平臺的缺陷,參與了新型低速沖擊測試儀的設(shè)計(jì)與研制,開展了對沖擊彈頭定位夾持機(jī)構(gòu)、沖擊載荷平臺、測速機(jī)構(gòu)、安全防護(hù)系統(tǒng)的部分設(shè)計(jì)、改進(jìn)、裝配工作,重點(diǎn)主持了測速機(jī)構(gòu)的選型、設(shè)計(jì)與調(diào)試。以上研究將為紡織復(fù)合材料在人體防護(hù)、精密

4、儀器防護(hù)等方面的應(yīng)用提供一定的理論支撐,對開發(fā)防護(hù)低速沖擊的實(shí)用性產(chǎn)品具有現(xiàn)實(shí)的意義。
　　本文研究內(nèi)容與取得的成果主要涉及以下四個方面：
　　(1)在自主搭建的簡易低速沖擊應(yīng)力波測試平臺上,對由碳纖維、玄武巖纖維、UHMWPE三種不同性能的增強(qiáng)纖維粘接有機(jī)玻璃板復(fù)合而成的紡織復(fù)合材料進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn),在100mm高度自由落體條件下,測試分析沖擊能量與傳遞時間、傳遞速度等方面的關(guān)系,以此來分析應(yīng)力波的平面?zhèn)鞑?。試?yàn)發(fā)現(xiàn)低速沖

5、擊下纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中應(yīng)力波的幅值隨著遠(yuǎn)離沖擊點(diǎn)呈衰減的趨勢；最接近沖擊點(diǎn)處,碳纖維機(jī)織物增強(qiáng)復(fù)合材料的初始應(yīng)力波傳遞率最大；而在遠(yuǎn)離沖擊點(diǎn)處,UHMWPE機(jī)織物的應(yīng)力波傳遞率最大,具有較好的應(yīng)力波橫向傳播性能；但UHMWPE單向布的應(yīng)力波傳遞率最小,其對沖擊能量吸收最多。且三類高性能纖維中,UHMWPE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)力波傳遞速度最快。綜合之,抗低速沖擊材料選擇UHMWPE單向布較為適宜。
　　(2)基于ANSYS/LS-D

6、YNA軟件對模擬參數(shù)試樣進(jìn)行數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)在試樣受彈頭沖擊的中心位置,應(yīng)力從沖擊點(diǎn)向周圍呈輻射狀傳遞,應(yīng)力值由大到小逐漸變化；對此試驗(yàn)材料而言,當(dāng)材料中心位置受到?jīng)_擊彈頭沖擊時,首先會在材料的邊緣處引發(fā)應(yīng)變并逐漸增大；通過數(shù)值模擬繪制了沖擊頭的速度和加速度曲線,并結(jié)合實(shí)際沖擊測試試驗(yàn)對速度和加速度進(jìn)行了分析。
　　(3)以實(shí)現(xiàn)以上試驗(yàn)的拓展研究所必須的實(shí)驗(yàn)為目標(biāo),探討對原有低速沖擊測試儀的改進(jìn)設(shè)計(jì)。本人主持了測速機(jī)構(gòu)的選型與設(shè)計(jì)

7、,參與了門型機(jī)架、沖擊彈頭定位夾持機(jī)構(gòu)、沖擊載荷平臺、安全防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、改進(jìn)、裝配和調(diào)試。提出了門型機(jī)架鋼絲網(wǎng)面防護(hù)改進(jìn)方案、沖擊彈頭定位夾持機(jī)構(gòu)的慢速延時夾持方案、沖擊載荷平臺的可控升降改進(jìn)方案,通過多方努力,最終成功實(shí)施,解決了相應(yīng)問題。
　　(4)通過對多種測速方案的比較、篩選,最終選取了光纖傳感器反射法測速方案,實(shí)現(xiàn)了低速沖擊測試儀準(zhǔn)確測速。測速機(jī)構(gòu)可檢測沖擊頭沖擊試樣前的瞬間速度和反彈速度,以此可表征沖擊總能量和反彈