霍普金森装置校准高应变率标准样品研制

为满足霍普金森装置校准工作的需要,研制了高应变率校准标准样品,围绕降低样品高应变率下试验结果的离散性,从样品选材、界面控制、晶粒细化3方面展开研究。研究表明,低硬度纯铜材料适合制作霍普金森杆校准标准样品,通过控制样品平行度及端面摩擦,利用等通道转角挤压方法进行晶粒细化,制作的标准样品在高应变率下的试验结果具有良好一致性。随着应变速率提高,纯铜晶粒尺寸呈增大趋势,高应变速率下的纯铜标准样品均为超细晶粒组织,试验结果离散性小,可满足霍普金森装置校准工作需要。

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。

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。

高强度钢壳体战斗部爆炸破碎无网格法数值仿真

为研究高强度钢壳体战斗部破碎过程及质量和速度分布特征的数值仿真方法,以"飞鱼"导弹战斗部为例,壳体采用光滑粒子动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法进行战斗部爆炸驱动壳体膨胀及破碎过程的数值仿真,炸药采用Lagrange单元,壳体和端盖采用SPH单元,进行Lagrange与SPH算法耦合实现炸药爆炸驱动壳体破碎。通过选取不同尺寸的SPH粒子分别进行计算,获得破片数随SPH粒子尺寸变化的规律以及战斗部爆炸形成破片的质量与速度分布特征,并对比传统Mott公式和Gurney公式的工程计算结果,得到SPH粒子尺寸为0.25 cm时所建立的仿真模型与工程计算较为吻合。采用经过工程计算验证过的模型进行仿真计算,获得爆炸载荷作用下战斗部壳体各段与端盖的质量和速度分布规律、每个破片的质量与速度分布以及各段形成破片的飞散方向与飞散角。

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。

高速弹体侵彻钢/陶瓷/超高分子量聚乙烯纤维/钢实验

为研究多层结构不同材料复合靶抗高速弹体的侵彻性能与抗弹机理,设计5 mm低碳钢面板+20 mm陶瓷板+20mm陶瓷板+20 mm超高分子量聚乙烯纤维板+20 mm间隔层+10 mm低碳钢背板的多层介质复合靶结构,单层陶瓷板由陶瓷小块黏结并经玻璃纤维层包裹而成,双层陶瓷板以超高分子量聚乙烯纤维板为背板支撑并与板后间隔层构成吸能夹层。通过采用质量为40 g、尺寸为?12.8 mm×40 mm的平头圆柱形弹体高速撞击靶板,获得弹体对该结构靶板侵彻的弹道极限。结果表明,40 g弹体对该多层介质复合结构靶板侵彻的弹道极限速度为1 628.5 m/s,各层结构抗弹作用结合良好,抗高速弹体侵彻性能显著。

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。

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。

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。

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。

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。

陶瓷复合靶板抗侵彻性能试验及数值研究

为研究叠层复合靶板结构对防护性能的影响机理,对两种不同排布结构的靶板进行侵彻试验及数值模拟研究。根据DOP(depth-of-penetration)实验方法,进行14.5 mm穿甲弹对10 mm厚氧化铝陶瓷+10 mm芳纶板+6 mm 616装甲钢以及10 mm厚氧化铝陶瓷+6 mm 616装甲钢+10 mm芳纶板两种结构靶板的侵彻试验研究,通过数值模拟进一步分析弹丸侵彻不同排布结构的靶板变形破坏过程。结果表明:两种靶板结构中前者防护性能优于后者,其防护系数分别为3.41和3.30;装甲钢作为芳纶支撑板,有助于增加弹丸侵彻阻力;芳纶位于陶瓷板及装甲钢之间,有助于缓解二次冲击对陶瓷板的损伤。

多层异质陶瓷复合靶板抗侵彻试验及数值模拟

为研究结构形式及泡沫铝夹芯对多层异质陶瓷复合靶板抗侵彻性能的影响,根据DOP试验方法,利用14. 5 mm穿甲弹对4种不同结构多层异质陶瓷复合靶板进行侵彻试验研究,通过数值仿真对4种结构靶板抗侵彻性能进行模拟,验证模型的正确性,并分析泡沫铝厚度对复合装甲结构抗侵彻性能的影响。结果表明:10 mm陶瓷+10 mm芳纶+6 mm 616装甲钢的防护性能最优,泡沫铝夹芯结构有助于减小陶瓷板损伤面积,提升抗多次打击能力;装甲钢作为芳纶支撑板,有助于增加弹丸侵彻阻力;泡沫铝厚度对靶板防护性能影响显著。