復合材料彈侵徹靶體的動力學行為研究.pdf

1、本文針對復合材料彈侵徹混凝土靶開展了相應的理論分析、實驗和數(shù)值模擬研究，分析了彈靶撞擊行為和壓縮作用下復合材料圓柱結構應力分布；研究了復合材料結構靜動態(tài)抗壓性能和失效模式；同時開展了復合材料彈體對混凝土靶體的正/斜侵徹實驗和數(shù)值模擬，研究結果可為輕質、高強、高裝填比復合材料彈的設計提供技術支撐。主要研究內容如下：
　　 ⑴采用一維應力波理論對彈靶彈性碰撞進行了分析，指出不同于準靜態(tài)問題應力分布與截面面積相關，應力波幅值在連續(xù)變截

2、面體中傳播時與截面半徑相關。對泰勒撞擊理論中動量-沖量平衡方程式進行了修正，修正后的公式避免了泰勒撞擊理論中只要彈體速度不等于零就會產(chǎn)生塑性變形情況，對彈體正/斜侵徹靶體過程中彈體的高應力分布區(qū)域和相對薄弱位置進行了分析，并討論了彈體結構設計中的結構和材料優(yōu)化途徑問題。
　　 ⑵利用NYL-200D型壓力實驗機和落錘裝置對圓筒形碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料結構進行了準靜態(tài)和動態(tài)沖擊壓縮實驗。在試件端部加粗的準靜態(tài)壓縮實驗中，無填

3、充物試件失效模式主要體現(xiàn)為纖維分層，表面產(chǎn)生褶皺，含填充物試件失效模式主要體現(xiàn)為試件環(huán)向膨脹導致外表面纖維分層，產(chǎn)生拉伸斷裂。試件端部未加粗的落錘壓縮實驗中，失效由試件相對薄弱一端開始，薄弱端纖維層逐漸發(fā)生分層失效，分別向筒壁內外發(fā)生卷曲，并伴隨纖維絲斷裂，最終在破壞端形成花瓣狀。在靜態(tài)和動態(tài)壓縮實驗中試件破壞模式主要體現(xiàn)為纖維分層，未發(fā)生剪切破壞和整體結構坍塌現(xiàn)象，因此增加環(huán)氧樹脂基體與碳纖維增強相間的界面結合強度，可提高復合材料結構

4、抗壓能力。
　　 ⑶基于材料體積不可壓假設，對軸向壓縮作用下圓柱試件在加載面內的環(huán)向和徑向應力分布進行理論分析，結果表明當試件材料為正交各向異性本構時，環(huán)向和徑向應力分布為半徑的冪函數(shù)形式；試件材料為橫觀各向同性時，環(huán)向和徑向應力為半徑的二次函數(shù)。在圓柱試件軸線上環(huán)向和徑向應力相等，且均具有最大值；試件圓周邊界上徑向應力為零，環(huán)向應力具有極小值。通過最大拉伸應變破壞理論對試件環(huán)向應變進行分析，獲得了產(chǎn)生環(huán)向拉伸破壞時的臨界軸向載

5、荷；并采用Hill-蔡強度理論對試件圓周邊界上計算得到的應力參量進行描述，得到了軸壓作用下圓柱試件的Hill-蔡強度理論表達式，其不僅取決于軸向應力和試件材料的基本力學性能，還與試件軸向變形的應變率及應變率隨時間的變化率相關。
　　 ⑷利用碳纖維復合材料殼體和金屬彈頭組成的復合彈體，對混凝土靶進行了高速侵徹實驗，彈體分別以不同速度對強度為30MPa混凝土靶進行正侵徹和30°斜侵徹。實驗結果表明：碳纖維復合材料殼體具有較高的強度，

6、在高速侵徹靶體的過程中彈體結構能夠保持完整，復合材料殼體沒有纖維分層和斷裂產(chǎn)生。相對于同樣結構尺寸的金屬彈體，復合材料彈填充物的質量分數(shù)約為金屬彈體的兩倍，因此采用輕質高強復合材料替代高密度金屬彈身，不僅可以提高彈體裝填比、增加比毀傷威力，而且還具有較高的侵徹能力。
　　 ⑸對碳纖維復合材料采用正交各向異性本構模型、混凝土采用HJC模型實現(xiàn)了復合材料彈正/斜侵徹混凝土靶的數(shù)值模擬，結果再現(xiàn)了彈體的侵徹過程，獲得了彈體速度、加速度