纤维增强复合材料高应变率拉伸实验技术研究

本文对基于分离Hopkinson杆的反射式纤维增强复合材料动态拉伸实验技术进行了研究讨论。对加载杆中可能影响拉伸应力波波形实验分析的所有干扰波进行了较系统地定量分析研究,认为产生于试样端头与加载杆界面处的两主要干扰波对希望得到的应力波的测量和判别具有严重的不利影响,因此拉伸实验设计必须避开该主干扰波的重叠影响。文中对动态拉伸实验装置、实验要求及信号采集等作了分析。根据对试验结果的分析,针对复合材料动态拉伸实验技术的若干问题提出了一些处理方法和建议,诸如干扰波的规避、冲击信号合理测点的选取、加载杆长度匹配、复合材料拉伸试样的设计要求以及加载连接等问题。这些方法和建议包括在加载杆特定段上贴应变片,考虑到实验的准确性一般不用反射波进行数据计算处理,尽量缩短试样标距等。

复合材料层板的抗贯穿机理与模拟研究

为了研究树脂基纤维增强复合材料层板的抗侵彻贯穿机理和动态力学行为与抗侵彻毁伤的关系,通过球形破片模拟弹贯穿实验表征了复合材料层板抗高速侵彻的吸能特性;通过高速摄影技术分析了层板贯穿过程的瞬态变形失效特点;采用CT扫描成像及SEM电镜分析等手段研究了复合材料层板的抗贯穿破坏耗能模式。实验结果显示,高速冲击下层板抗贯穿吸能与入射速度成正比;高速侵彻过程是复合材料层板高应变率变形的动态过程,高应变率动态力学行为对复合层板抗贯穿吸能特性影响显著;冲击波在层板中的传播特性决定了不同破坏模式阶段的划分以及损伤区域的范围。基于复合层板高速贯穿下的动力学瞬态分析,建立了复合层板抗高速侵彻吸能的两阶段动态破坏模型,模型计算值与实验值符合良好。研究结果表明,应变率效应与惯性效应在复合材料层板抗侵彻性能分析中是不可忽视的2个关键因素。

纤维增强复合材料抗弹吸能特性研究

为研究树脂基纤维增强复合材料的抗弹吸能特性和机制,采用4.5 g球形碎片模拟弹,对不同基体的玻璃纤维和芳纶纤维增强复合材料板进行了弹道极限v50和抗冲击贯穿试验,分析了不同冲击状态下各复合材料靶板的吸能特性和破坏特点.研究发现,增强纤维的应变率效应会显著地反映到复合材料板的抗弹吸能特性中,破坏模式决定复合材料板的抗弹吸能能力;弹体冲击入射速度、纤维与基体的界面特性是影响复合材料板抗弹吸能的重要因素.结果表明,在一定速度下的贯穿比吸能试验方法,可有效地评价和比较各树脂基纤维增强复合材料板的抗弹性能,该试验方法是对v50试验方法的有效补充.

树脂基纤维增强复合材料超高应变率拉伸研究

通过爆炸自由膨胀实验技术,采用特殊的薄环试样,对树脂基纤维增强复合材料在超高应变率(104/s)下进行了冲击拉伸实验研究。通过自由膨胀环实验,得到了一些芳纶纤维、玻璃纤维、碳纤维等增强的树脂基复合材料在超高压应变率下的冲击拉伸试验数据,在实验中应用了简便的应变片电测技术,并优化了装药和试样环的设计。为了验证实验数据,采用LY12cz铝合金进行了不同应变率下应力-应变拉伸性能的比较。通过树脂基复合材料爆炸自由膨胀环实验的分析,对实验技术中存在的问题提出了一些建议。研究表明,爆炸自由膨胀环拉伸技术是目前获得纤维增强复合材料超高应变率力学性能的1种相当有效的实验方法。

撞击位置对陶瓷/纤维复合材料板抗弹评价的影响

为了准确表征陶瓷/纤维轻型装甲复合材料的抗侵彻性能,提高抗弹性能评估的可靠性,通过12.7mm穿甲燃烧弹打击侵彻被测靶板的DOP试验方法,以质量防护系数表征分析了陶瓷/纤维复合装甲板在不同打击位置的抗侵彻能力。数据表明:以陶瓷片铺层的复合装甲板在不同打击点的抗弹性能分散性较大,存在抗侵彻典型区域和危险点,弹体着靶位置影响对其抗弹性能的评价。只有充分考虑危险点的试验数据,陶瓷/纤维复合装甲板的抗弹性能试验评估才能更准确、可靠。

复合材料层板冲击剪切实验技术研究

基于HOPKINSON杆冲击剪切试验技术、复合材料层板的材料性能及应用特点的分析,对"杆-管"冲击剪切动态力学性能实验技术进行了改进优化,解决了输入杆跳动、同轴调节困难、结果分散大等实验技术问题。根据输入杆、输出管和复合材料试样的匹配分析,确立了输入杆、试样和输出管针对动态冲击剪切实验的约束尺寸条件。通过有限元数值分析,研究了预置剪切间隙对冲击剪切的影响,研究认为0.2 mm～0.3 mm间隙设计对Ф14.5 mm输入杆冲击2mm～4 mm层板试样的冲剪试验是合适的。冲击剪切实验数据表明,加载率对玻纤增强复合材料层板的动态剪切力学性能影响明显。

基于SHPB的塑料动态压缩力学性能实验研究进展

从塑料类聚合物软材料目前力学性能研究现状及性能表征的不足,讨论了塑料类软材料在高应变率动态加载条件下霍普金森杆(SHPB)实验装置及实验用杆系的选取、应力应变信号的采集方式以及目前对塑料材料在高应变率加载条件下动态力学性能的实验研究,总结了SHPB高应变率动态实验时塑料材料的特性、提高实验数据精度的方式等方面。

PELE弹芯用改性PA1010工程塑料动态力学性能研究

针对PELE弹芯侵彻过程中动态高应变率的特点,采用一维霍普金森压杆(SHPB)实验技术,对弹芯材料改性尼龙1010(PA1010)工程塑料开展了常温(28℃)常湿650、1 350、2 300和3 300 s-1四个应变率条件下,高温(50℃)和低温(-40℃)2 300 s-1应变率条件下的动态压缩力学性能实验研究。研究发现,改性PA1010工程塑料存在明显的应变率效应,在应变9%,650 s-1和3 300 s-1应变率下的流变应力值比准静态条件下分别提高了68.5%和96.2%;材料应力-应变曲线有明显的温度依赖性,应变9%,应变率2 300 s-1条件下,低温处理后试样的流变应力值比常温提高了24.8%,高温处理后试样的流变应力值比常温降低了8.4%。

聚甲醛动态力学性能及本构行为研究

基于分离式一维霍普金森压杆(SHPB)试验技术,研究了聚甲醛(POM)塑料在室温和高温下的动态压缩力学性能,结合试验数据,对POM塑料的本构方程进行了拟合。研究发现,POM塑料在动态压缩过程中不仅出现材料的应变硬化现象,同时也存在着绝热变形引起的应变软化现象;通过分析所建立的方程预测数据与实验数据在试样应变5%前拟合程度较好。

防护材料抗破片性能试验模拟表征技术研究进展

指出了破片侵彻试验中所用破片质量的变化趋势,详细介绍了3种新型破片发射装置;从弹托的制作材料、无差别分瓣式设计、空气动力学弹托分离技术和拦截弹托分离技术4个方面分析阐述了弹托设计与分离技术;比较说明了吸能、弹道极限V50和比吸能等抗破片性能表征指标在实际应用中的情况;展望了防护材料抗破片性能试验模拟表征技术的发展方向。

承载抗冲击部件用改性POM动态压缩性能研究

针对改性POM承载部件在极端环境抗冲击服役条件下的应用,基于SHPB动态压缩实验技术,对改性POM材料在-40~70℃试验温度条件下的动态压缩力学性能进行试验研究,动态压缩试验在800、1 400、2 300、3 100 s-1的应变率下开展。研究发现:热塑性改性POM工程塑料的最大压缩应力随应变率的提升而增大,力学性能具有显著的应变率效应,且高温下更明显;在实验温度范围内改性POM的力学行为呈现出高速韧性;在1 400、2 300、3 100 s-1应变率下,材料在-40℃的最大压缩应力比70℃提高约16.0%、18.1%和11.3%,而对应失效应变明显减小,改性POM材料的力学性能呈现出显著的温度依赖性。

软质防护材料抗微型高速球形破片性能的试验研究

为了研究软质防护材料抗微型高速爆炸破片的抗弹性能和防护机理,选择手榴弹用0.11 g(Ф3 mm)典型预制钢珠作为试验用球形破片,在(1 848±60)m/s的速度范围内对芳纶纤维平纹织物、ZT160和ZT75高分子聚乙烯纤维单向布(PEUD)3种叠合材料分别进行了弹道侵彻试验研究。结果表明,当防护材料抗0.11 g球形破片的弹道极限V0在1 848 m/s左右时,芳纶织物、ZT160PEUD布和ZT75PEUD布3种叠合材料的极限比吸能分别达到5.9 J·m2/kg、7.2 J·m2/kg和6.1 J·m2/kg。结合对材料破坏模式的分析,认为3种防护材料中ZT160PEUD布抗0.11 g球形破片超高速侵彻的性能最好。

超高分子量聚乙烯复合材料抗多发弹性能试验研究

为研究防弹衣用软质超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料在多发弹打击下的防护效能变化,通过弹道试验对多发弹打击下复合材料的抗弹性能和结构损伤以及弹丸变形破坏特征进行试验研究,分析弹靶作用机制。结果表明:软质UHMWPE防弹材料经多发弹打击后,其抗弹性能明显下降且分散性变大;弹道冲击条件下,铅芯弹丸和靶材的高应变率材料力学行为、弹丸变形机制、靶材结构对弹丸的应力积累机制等均是影响防护材料抗弹性能优劣的根本因素,是其机理研究的关键。

应变率对乙烯基酯树脂压缩力学行为影响的研究

为研究应变率对乙烯基酯树脂压缩性能的影响,在准静态与动态试验条件下,比较分析了不同加载速率时乙烯基酯树脂的压缩力学行为。研究发现,乙烯基酯树脂的压缩性能受加载速率影响显著,具有明显的应变率效应。动态试验条件下的屈服应力比准静态下提高57.0%～85.2%,而屈服应变略有降低,其屈服形貌和破坏特征也明显不同。

组合间隙对纤维/陶瓷复合板抗弹性能的影响

为了研究纤维 /陶瓷复合材料板与装甲钢背板的组合间隙对其抗弹性能的影响 ,进行了纤维 /陶瓷复合材料板抗穿甲弹性能试验 ,发现组合间隙对复合材料板抗穿甲弹侵彻能力存在一个快速转变区 ,同时分析了成因机制 .研究认为 ,组合间隙对纤维 /陶瓷复合材料板抗弹性能的负面影响是明显的 。

树脂基纤维增强复合材料高应变率下力学性能的研究进展

综述了国内外在树脂基纤维增强复合材料的动态力学性能测试的实验技术、高应变率下力学性能和动态本构模型方面所开展工作的研究进展,指出了研究中应注意的问题。

小变形条件下聚合物本构关系研究

通过两种工程塑料不同温度条件下的准静态和动态压缩试验,研究这两种工程塑料的应力应变特性。同时,为描述所研究聚合物在高温、高应变率下的应力-应变特性,基于Johnson-Cook本构模型,建立一种形式简洁、便于参数拟合的聚合物本构模型。分别利用聚甲醛和密胺树脂在准静态下和高应变率条件下的真应力-真应变曲线,对模型进行参数拟合和标定,结果表明:在高温、高应变率条件下,模型可以预测到5%应变以前的应力-应变关系,与聚合物力学性质符合率良好。

圆环形整形器设计及整形效果的数值模拟

以大口径霍普金森压杆试验中入射波整形为目的,利用ANSYS/LS-DYNA软件模拟并分析了∅100 mm分离式霍普金森压杆试验中圆形整形器受到∅100 mm压杆碰撞后的形变过程,发现圆形整形器存在应力较高的环状区域。为提高应力均匀性,提出了一种圆环形整形器设计方案,并对圆环形整形器的整形效果进行了仿真分析。结果表明,与圆形整形器相比,圆环形整形器应力波波形更加平滑,入射波上升时间更长,有利于试件尽早达到应力均匀。在混凝土试件压缩试验中,经圆环形整形器作用的反射波为平台波,可基本实现大尺寸混凝土试件的恒应变率加载。

温度对MF塑料动态压缩性能试验研究

采用静态压缩试验机及分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,在不同处理温度下对三聚氰胺甲醛(MF)塑料进行了不同应变率的压缩试验,研究温度变化对MF塑料压缩性能的影响。分析研究表明,MF塑料随着加载应变率的提高,其破坏强度逐渐增大,呈现出显著的应变率效应,低温下的应变率效应更为明显,MF塑料的动态冲击压缩性能呈现出对温度不敏感的特性。

纤维增强复合材料板抗碎片模拟弹性能评定方法

提出了两种纤维增强复合材料板抗碎片模拟弹性能的评定方法，并创立了两种测量贯穿纤维增强复合材料板弹丸的剩余速度的方法－铝箔法和光幕靶法。