三向纖維復(fù)合材料的沖擊性能和抗侵徹-破壞機(jī)理研究.pdf

1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在防護(hù)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，其在沖擊載荷作用下的動態(tài)力學(xué)行為、抗彈性能和破壞機(jī)理的研究已成國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。三向機(jī)織復(fù)合材料由于在厚度方向引入纖維增強(qiáng)，克服了層合板易分層，層間強(qiáng)度低等缺點，有效地改善了材料力學(xué)性能，但相關(guān)領(lǐng)域的研究工作，如多相結(jié)構(gòu)以及應(yīng)變率效應(yīng)和損傷效應(yīng)的各向異性、抗侵徹性能等的研究還相對薄弱。本文以Kevlar纖維/乙烯樹脂三向正交機(jī)織復(fù)合材料(3DKW)為研究對象，采用實驗、工程分析方法與數(shù)值計算相

2、結(jié)合，圍繞材料的動態(tài)力學(xué)性能、抗彈性能和破壞機(jī)理開展了較系統(tǒng)的研究。 在材料本構(gòu)關(guān)系的理論和本構(gòu)算法的研究工作方面，對Misess類材料的“半徑回歸方法”給出了最一般性的嚴(yán)格理論證明，并由此提出了廣義回歸算法討論了其適用性和局限性；以應(yīng)力空間中的屈服函數(shù)和Drucker公設(shè)為基礎(chǔ)，推導(dǎo)并建立了含有多應(yīng)變率因子和多損傷的熱粘塑性增量型本構(gòu)關(guān)系的普適形式，即粘塑性流動的自洽增量算法，并提出了廣義單參數(shù)應(yīng)變率因子熱粘塑性增量型本構(gòu)關(guān)系

3、的顯式算法，從而可保證高效準(zhǔn)確地描述材料應(yīng)變率效應(yīng)的各向異性；同時還分析了靜水壓在本構(gòu)算法中的地位以及狀態(tài)方程參數(shù)選取方法等。 在3DKW復(fù)合材料動靜態(tài)力學(xué)性能的研究方面，通過系列的MTS準(zhǔn)靜態(tài)實驗和SHPB動態(tài)實驗，對材料在不同加載方向的拉伸、壓縮力學(xué)性能進(jìn)行了相應(yīng)的研究，得到了材料的基本力學(xué)參數(shù)，并進(jìn)一步建立了由Hill-Tsai模型所表述的彈塑性屈服準(zhǔn)則和本構(gòu)關(guān)系。以實驗結(jié)果為基礎(chǔ)，對不同加載方向上材料強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)進(jìn)行

4、了分析，并分析了材料在不同加載條件下的破壞模式。 在3DKW復(fù)合材料抗彈性能的實驗研究方面，采用球形彈和柱形彈分別對材料靶進(jìn)行了系列的貫穿實驗，彈速范圍被控制在500-1100m/s，分析了彈型、靶厚、纖維粗細(xì)對靶板的抗侵徹性能的影響，進(jìn)一步詳細(xì)分析了不同彈速對靶板破壞模式的影響以及靶板的吸能機(jī)制。在高速貫穿實驗結(jié)果基礎(chǔ)上，首次提出了“超臨界耗能”的概念，假定其為彈的初始動能的某種函數(shù)，并由此提出了一種以完全貫穿實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)預(yù)

5、測靶材彈道極限V50的方法，由該法所預(yù)測的V50值比用傳統(tǒng)面密度法和剩余能量法預(yù)測的V50值更接近實測結(jié)果。 在抗侵徹的工程分析方法研究方面，給出了一種基于球腔膨脹/柱腔貫穿相耦合的準(zhǔn)一維工程分析方法，方法中靶板被視為橫觀各向同性材料，考慮了靶板強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)和各向異性修正，并引入了波后鎖應(yīng)變的區(qū)域平均算法和柱腔貫穿對球腔膨脹的運(yùn)動學(xué)修正。利用該方法對鋼球侵徹貫穿靶板問題開展了系列分析計算，計算所得的剩余速度與實測剩余速度一致