三維角聯(lián)鎖機織復(fù)合材料彈道侵徹破壞細觀結(jié)構(gòu)尺度研究.pdf

1、三維角聯(lián)鎖機織復(fù)合材料與傳統(tǒng)層壓復(fù)合材料相比，具有較高的層間分層阻抗、斷裂韌性和抗沖擊損傷容限，更適合應(yīng)用于高速加載下抗沖擊結(jié)構(gòu)件設(shè)計。復(fù)合材料在沖擊加載下結(jié)構(gòu)效應(yīng)明顯，有效表征細觀結(jié)構(gòu)尺度力學(xué)性質(zhì)和動態(tài)響應(yīng)可以對復(fù)合材料抗沖擊設(shè)計提供理論指導(dǎo)。
　　本文目的是研究三維角聯(lián)鎖機織復(fù)合材料在細觀結(jié)構(gòu)尺度上表征方法和彈道侵徹性質(zhì)有限元分析，并結(jié)合纖維材料力學(xué)性質(zhì)的應(yīng)變率效應(yīng)和本構(gòu)方程，分析在高速沖擊加載下復(fù)合材料彈道侵徹破壞性能和對彈

2、體的能量吸收機理。
　　本課題研究思路與方法為:
　　(1)基于復(fù)合材料細觀結(jié)構(gòu)理論和三維角聯(lián)鎖機織物基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立真實細觀的復(fù)合材料多尺度幾何模型，對其進行離散化處理得到復(fù)合材料有限元彈道侵徹模型。
　　(2)采取兩種紗線材料模型方案進行彈道侵徹模擬計算:
　　隨動硬化彈塑模型:采用纖維材料力學(xué)性質(zhì)的隨動硬化彈塑性模型，計算復(fù)合材料彈道侵徹破壞;
　　粘彈性材料模型:根據(jù)高應(yīng)變率紗線本構(gòu)方程，使用Fo

3、rtran語言編寫紗線用戶自定義材料子程序，結(jié)合顯式算法，代入有限元模型計算復(fù)合材料彈道侵徹破壞。
　　(3)開展復(fù)合材料彈道侵徹實驗，提取彈道侵徹測試值，驗證兩種紗線材料模型計算方案應(yīng)用在模擬復(fù)合材料對彈體動能吸收和復(fù)合材料彈道侵徹破壞形態(tài)上的有效性和精確性。
　　(4)通過理論模型預(yù)測三維角聯(lián)鎖機織復(fù)合材料彈道侵徹性能，揭示其彈道侵徹破壞模式和破壞機理。
　　(5)對比三維角聯(lián)鎖機織復(fù)合材料多尺度結(jié)構(gòu)模型與單胞模型

4、的彈道侵徹模擬結(jié)果，從兩種模型破壞形態(tài)、應(yīng)力分布和運算時間等方面論證理論模型各自的特點，分析不同理論模型中復(fù)合材料彈道侵徹特征。
　　本文主要研究結(jié)論為:
　　研究表明三維角聯(lián)鎖機織復(fù)合材料具有良好的彈道侵徹性能，較高沖擊損傷容限，織物增強體在材料吸收子彈侵徹能量中起主導(dǎo)作用。隨著沖擊速度變化，對位芳族聚酰亞胺纖維的應(yīng)變率效應(yīng)會引起紗線力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，對復(fù)合材料彈道侵徹性能具有顯著影響。因此，準(zhǔn)確理解高應(yīng)變率下纖維力學(xué)本構(gòu)

5、，結(jié)合有限元細觀模型，對三維角聯(lián)鎖機織復(fù)合材料彈道侵徹過程進行數(shù)值模擬計算，能夠為動態(tài)高速加載下材料抗沖擊、高損傷容限的復(fù)合材料精細化結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。
　　在三維角聯(lián)鎖機織復(fù)合材料彈道侵徹實驗中，子彈入射速度控制在200m/s～600m/s范圍內(nèi)。實驗結(jié)果包括子彈剩余速度，靶板彈道極限速度，入射面、出射面和厚度方向剖面破壞形態(tài)。實驗結(jié)果表明三維角聯(lián)鎖機織復(fù)合材料在彈道侵徹加載下，入射速度與剩余速度擬合曲線為非線性，具有應(yīng)變率

6、敏感性;彈道侵徹破壞形態(tài)包括樹脂脆裂、纖維抽拔和斷裂、紗線彎曲變形、樹脂和纖維之間相互擠壓和碎片飛濺等;材料破壞模式包括入射面內(nèi)壓縮破壞、厚度方向上剪切破壞，及出射面拉伸破壞。
　　三維角聯(lián)鎖機織復(fù)合材料彈道侵徹細觀模型是基于增強體織物基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，在纖維體積含量與實際材料相等條件下，將三維角聯(lián)鎖機織復(fù)合材料細觀結(jié)構(gòu)和材料屬性相結(jié)合，計算復(fù)合材料彈道侵徹破壞過程和破壞模式。對比彈道侵徹細觀模型運算結(jié)果與實驗結(jié)果，兩者具有較好的一致

7、性，該模型可以深入揭示三維角聯(lián)鎖機織復(fù)合材料彈道侵徹機理，從靶板侵徹過程、應(yīng)力分布、破壞模式和能量吸收等方面對材料進行動態(tài)力學(xué)分析。
　　根據(jù)對位芳族聚酰亞胺纖維分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)特征，將剛性大分子主鏈和主鏈間氫鍵分別以彈簧元件和粘壺元件進行等效代替，用三元件本構(gòu)模型有效表征紗線在高應(yīng)變率下動態(tài)響應(yīng)。結(jié)合橫觀各向同性材料特征，用材料應(yīng)變率效應(yīng)動態(tài)本構(gòu)關(guān)系計算紗線剪切模量。將應(yīng)變率效應(yīng)的本構(gòu)方程編寫入用戶自定義材料子程序，并在有限元

8、計算主程序中進行調(diào)用，實現(xiàn)對主程序中紗線應(yīng)力、應(yīng)變和歷史變量的更新。計算結(jié)果表明具有應(yīng)變率敏感材料本構(gòu)可以提高彈道侵徹計算精度，提高理論預(yù)測值與實驗值擬合程度。
　　從剩余速度、破壞形態(tài)和靶板變形等方面，把兩種方案計算結(jié)果與實驗測試結(jié)果進行對比驗證，結(jié)果表明該有限元細觀模型能夠?qū)θS角聯(lián)鎖機織復(fù)合材料的彈道侵徹過程進行精確模擬。通過有限元模擬彈道侵徹過程，再現(xiàn)在沖擊加載下纖維束受力變形過程，樹脂基體開裂以及兩者相互作用狀態(tài)。提取細

9、觀模型分析結(jié)果，得到實驗中未測到中間數(shù)據(jù)，如:子彈速度和加速度歷程曲線，靶板撓度曲線、節(jié)點應(yīng)力波傳遞曲線等。這些數(shù)據(jù)可以進一步揭示三維角聯(lián)鎖機織復(fù)合材料的彈道侵徹破壞機理，分析基體與增強體侵徹中吸能差異。
　　比較兩種方案的計算結(jié)果，粘彈性材料模型方案計算結(jié)果與實驗值有較好的擬合度，表明在彈道侵徹數(shù)值模擬計算中，帶有應(yīng)變率效應(yīng)的本構(gòu)方程能夠提高運算過程精確性，保證計算結(jié)果有效性。對比能量吸收過程，發(fā)現(xiàn)纖維束是復(fù)合材料中主要吸收能量

10、介質(zhì)，粘彈性材料模型方案中纖維束吸收更多動能，轉(zhuǎn)化內(nèi)能比重更大。說明由于應(yīng)變率效應(yīng)，纖維束力學(xué)性能發(fā)生變化，進而對能量吸收和轉(zhuǎn)化產(chǎn)生更多影響。另外，對比經(jīng)緯紗線吸收內(nèi)能，發(fā)現(xiàn)緯紗在彈道侵徹過程中吸收較多內(nèi)能，是材料彈道防護中能量吸收重要影響因素。
　　比較三維角聯(lián)鎖機織復(fù)合材料多尺度結(jié)構(gòu)模型與單胞模型的彈道侵徹模擬結(jié)果:發(fā)現(xiàn)多尺度結(jié)構(gòu)模型中細觀部分能夠真實反映材料破壞形態(tài)、紗線和樹脂損傷狀態(tài)以及彈道侵徹過程中材料各組分與彈體相互作

11、用方式，而單胞模型破壞形態(tài)較為簡單，主要體現(xiàn)在模型單元刪除后彈孔形態(tài)和靶板變形狀態(tài)。多尺度結(jié)構(gòu)模型能夠區(qū)分紗線和樹脂內(nèi)不同應(yīng)力分布狀態(tài)，模擬出彈道侵徹過程中復(fù)合材料靶板在應(yīng)力傳播云圖，為進一步分析靶板內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)和能量吸收機理提供理論依據(jù)。綜合對比實驗值、多尺度結(jié)構(gòu)模型和單胞模型的入射速度-剩余速度曲線，發(fā)現(xiàn)多尺度結(jié)構(gòu)模型的理論結(jié)果與實驗值更為一致。結(jié)合兩種理論模型預(yù)測結(jié)果，分析不同模型中復(fù)合材料靶板破壞模式的共同點和不同點，深入討論三維