芳纶平纹编织复合材料平板弹道冲击特性及损伤分析

为了研究1000D629T/EPMOLD110芳纶平纹编织复合材料平板抗冲击行为及损伤特性,采用真空辅助树脂灌注成型技术(VARI)和树脂传递模塑成型技术(RTM)加工不同厚度的平板试验件,通过空气炮装置进行弹道冲击试验。同时,基于芳纶平纹编织复合材料基础力学性能试验数据,建立经验证的细观代表体积单元(RVE)模型,通过拟合确定宏观模型的材料本构参数;建立芳纶平纹编织复合材料平板弹道冲击宏观有限元模型,结合CT扫描结果进一步分析其弹道极限特性及损伤形貌等。结果表明:芳纶平纹编织复合材料平板在圆柱弹体冲击试验下的失效模式主要为纤维拉伸断裂、纤维脱出、面外剪切与层间分离等;随着平板厚度增加,其弹道极限相应增加,且与VARI工艺相比,采用RTM工艺可将芳纶平纹编织复合材料平板的抗冲击性能提升5%;芳纶平纹编织复合材料平板宏观模型的弹道冲击仿真结果与试验结果吻合较好,弹道极限误差在1%以内。

内凹弧形蜂窝夹芯板低速弹道冲击试验与数值仿真

面向弹道冲击防护,设计制备了1060铝合金材质的内凹弧形(re-entrant circular,REC)和传统内凹(re-entrant,RE)六边形蜂窝夹芯板。采用钢质圆柱弹低速冲击试验结合有限元数值仿真,研究对比了两类蜂窝夹芯板的低速弹道冲击动态响应与防护性能。进而,利用经验证的有限元模型,仿真分析着靶速度对两类蜂窝夹芯板的低速弹道冲击最大永久压缩量、局部泊松比值和各部件吸能占比的影响。最后,分析了REC蜂窝胞元的圆弧胞壁半径、胞元长度等结构参数对夹芯板低速弹道冲击响应的影响。结果表明:相比RE蜂窝,REC蜂窝夹芯板在相同弹道冲击载荷下最大永久压缩量更小,抗弹性能更优,并且低速下优势更显著;随着胞元长度和圆弧胞壁半径减小,REC蜂窝夹芯板的抗弹性能可进一步提升。

三维机织复合材料弹道冲击试验研究

先进复合材料具有高比强度、高比模量等优点,是航空发动机应用研究的热点。本文通过弹道冲击试验研究三维机织复合材料平板在高速物体冲击下的损伤失效机制及其力学行为,采用高速相机记录下了靶板受冲击损伤变化过程,分析了不同速度对三维机织复合材料平板损伤形貌的影响。试验结果表明,三维机织复合材料具有优异的抗裂纹萌生和扩展性,冲击表面的主要破坏模式是纤维剪切破坏和基体破碎,在出口表面主要破坏模式是纤维拉伸断裂和基体开裂。本研究可用于支撑验证碳纤维增强树脂基复合材料包容性,为航空发动机复合材料机匣研制提供基础。

碳/芳纶纤维混杂复合材料层合板弹道冲击特性研究

为了探究碳纤维、芳纶纤维、碳/芳纶纤维混杂平板的抗冲击特性,分别对T700SC-12K-50C碳纤维层合板、1000D629T芳纶纤维层合板以及两种碳/芳纶纤维混杂平板进行弹道冲击试验,通过抗冲击性能评估参数对其弹道冲击特性进行评估;同时借助CT扫描结果分析了层合板的内部损伤情况,揭示了其破坏吸能机理,并进一步探究了纤维混杂对弹道冲击特性的影响。结果表明:随着弹体入射速度的增大,平板的能量吸收能力升高,直至饱和达到峰值。当弹体入射速度超过弹道极限时,随着入射速度的升高,平板的吸能量保持稳定或略有下降,而能量吸收率逐步下降。与纯碳纤维平板相比,纯芳纶纤维平板的抗冲击性能更优,将纯芳纶纤维平板两侧替换为碳纤维铺层,可有限提高整体的吸能效果,但替换的碳纤维占比较多时,反而使平板的抗冲击性能下降。在圆柱弹体冲击下,纯碳纤维平板为切孔型损伤,以剪切破坏为主,且损伤集中在弹体冲击部位附近。纯芳纶纤维平板、碳/芳纶纤维混杂平板为炸裂型损伤,弹孔形貌靠近迎弹面区域呈圆孔状,在背弹面损伤区域呈锥状隆起。损伤形成过程分为挤压变形、剪切侵彻和拉伸侵彻三个阶段。

弹道冲击下层合板破坏模式及抗弹性能实验研究

以舰用轻型复合装甲研究为背景,针对不同纤维增强种类(包括玻纤织物 C400、C200、SW220 和芳纶纤维织物T750)以及不同面密度层合板结构,在6.2 g刚性微曲面柱形弹弹道冲击下的防护能力展开实验研究,着重讨论了层合板结构弹道冲击下破坏模式、弹体初始侵彻速度及面密度与抗弹能力和抗弹效率之间的关系,认为不同的破坏模式体现了不同的吸能特性和纤维失效机理.

纤维增强复合材料层合板弹道冲击研究进展

近20多年来,纤维增强复合材料层合板,在结构防护领域大量使用,由于层合板结构及材料特性的复杂,其弹道吸能机理十分复杂,影响因素包括靶板的几何尺寸、结构形式、材料力学特性及层间粘结、弹形及弹速等诸多方面。本文主要针对近10年的研究工作,侧重于实验技术、弹道冲击实验研究、经验公式及理论分析模型等几方面的发展,进行了回顾和展望。同时,对于弹道侵彻力历程、材料的动态力学特性以及数值分析技术在层合板弹道冲击问题上的运用及发展等方面,也进行了简要的介绍。

利用有限元研究非贯穿弹道冲击防弹衣后人体躯干的力学响应

目的通过建立人体躯干有限元计算模型,对弹头非贯穿性弹道冲击下人体躯干主要脏器的力学响应进行数值模拟。方法利用正常成年男性的CT扫描数据,应用医学图像重建软件Mimics和有限元前处理工具Hy-perMesh进行人体躯干有限元建模,在显式动力有限元分析软件LS-DYNA中对速度为360 m/s的9 mm手枪弹弹头撞击装配有软质防弹衣人体躯干的压力、加速度响应进行数值计算。结果建立了包括胸廓骨骼结构、脏器、纵膈和肌肉/皮肤的人体躯干有限元模型,通过数值计算获得了心脏、肺脏、肝脏、胃的压力响应以及胸骨的加速度响应,发现不同脏器之间或同一脏器的不同位置,离弹头撞击点位置的远近决定了压力峰值的大小和出现压力峰值的时间。结论装配有软质防弹衣的人体躯干有限元计算模型可作为非贯穿弹道冲击下人体力学响应的仿真分析工具,仿真结果可为防弹衣后钝性损伤机制和防护研究提供依据。

织物及其复合材料的弹道冲击性能

由高韧性、高强度、高模量纤维制成的织物及其柔性复合材料具有优良的抗冲击能力和较轻的重量,广泛应用于冲击发生的场合,如涡轮机叶片、机身保护、个体防护。研究表明,材料特性和材料的组成方式影响弹道冲击性能。回顾了影响织物及其复合材料弹道冲击特性的因素,特别是纤维束的材料特性、织物的结构、子弹的几何形状和速度、靶板的固定方式和弹体与靶板的摩擦力,对抗冲击性材料的优化设计具有一定的指导作用。

三维机织增强复合材料弹道冲击边缘部分有限元分析

利用有限元软件ABAQUS建立基于三维机织增强复合材料的单胞模型,探讨子弹在三维机织增强复合材料中应力波的传播发生过程,对比分析子弹冲击后边缘部分的实验结果和模拟计算结果,并对三维机织增强复合材料的最终破坏模式与常用层合板进行比较。结果表明:子弹在三维机织增强复合材料中的应力峰值随入射速度的增大而增大,并来回发生反射,弹头从三维机织增强复合材料下表面射出后其增强纱线的断裂较入射上表面粗糙,分层现象在三维机织增强复合材料内部没有发生,而实际观察的破坏孔洞与采用有限元软件模拟后的图形基本吻合。

高聚物基层压复合材料弹道冲击破坏机理

以侵彻能力很强的钢芯尖头弹作为弹体 ,通过对靶板表观损伤模式的观察和分析、靶板的剖面观察和弹孔处断裂纤维的 SEM观察 ,研究了 Twaron热固性层压复合材料靶板。

舰船用钢的抗弹道冲击性能研究进展

对我国舰船用钢抗弹道冲击性能的研究情况及主要成果进行了总结和评述。概括了舰船在战争中所面临的主要威胁,描述了我国舰船用钢的发展历程,论述了材料的动态本构模型的重要性,提出了获取手段和使用要求。回顾了重要的侵彻深度、弹道极限和剩余速度的经验公式,并指出了它们的局限性和使用方法。详细研究了靶板的破坏模式、特点及尖头弹和钝头弹在侵彻机理上的差异,并提出了建立模型的具体步骤。总结了试验研究的主要方向,指出了其重要意义;分析了各种研究方法间的相互联系。最终提出了在研究舰船用钢的抗侵彻性能和设计舰船装甲防护方案时的五步法。

织物及其复合材料的弹道冲击性能研究进展

本文总结了近年来织物及其复合材料弹道冲击性能研究的进展以及发展现状,详细分析了不同纺织结构的织物及其复合材料对弹道冲击损伤机理以及吸收能量机制的影响,阐述了目前弹道侵彻分析模型以及数值模拟计算的现状,对优化弹道防护材料设计进行了探索,对弹道防护材料的开发进行了展望。

编织复合材料弹道冲击破坏形态及模式

通过观测 1 2× 4型和 1 2× 6型两种厚度 Twaron/环氧四步法三维编织复合材料在 3 0 0～ 70 0 m/ s速度范围内弹道冲击破坏的宏观形态和细观形态 ,发现复合材料在受弹道冲击的入射面以纤维和基体剪切、压缩破坏为主要破坏模式 ,出射面以纤维拉伸破坏为主要破坏模式 .在三维编织复合材料弹道冲击破坏分析计算中 ,破坏模式的确立可使破坏准则的选择更准确合理 。

纱线弹道冲击的有限元模拟

纤维增强复合材料由于具有较低的面密度和较大的比吸收能,广泛应用在个体防护领域,而其中采用的高强纤维的断裂是最主要的吸能方式。以前的研究主要集中在弹道实验后对破坏模式的观察,为此采用有限元方法模拟了Twaron○R纤维束受到弹体侵彻的破坏过程,并与前人的实验结果进行比较,具有高度的相似性,进一步说明了纤维束的吸能机制,对软体结构防护系统的设计具有一定的指导意义。

叠层织物弹道冲击性能研究

采用弹道贯穿实验，研究叠层芳纶织物、叠层高强维纶织物、叠层高强聚乙烯斜纹织物和高强聚乙烯单向铺层织物对子弹动能吸收规律，以及叠层织物弹道极限、弹道性能指数与叠层织物面密度的关系，对软体防护装甲的选材及设计具有较好的指导意义。

纬编双轴向织物复合材料的弹道冲击响应

对深冲成型的防弹制品,纬编双轴向织物具有良好的加工特性,可使最终产品既没有搭缝又能避免形成褶皱。研究UHMWPE纤维双轴向织物复合材料在弹道冲击作用下的响应特征,发现这种织物结构增强的复合材料与其它结构形式增强的复合材料的弹道冲击响应基本类似,但又有其特殊性。

复合材料弹道冲击性能研究进展

本文总结了近年来复合材料弹道冲击研究的进展 ,着重从纤维集合体的结构对弹道冲击损伤机理的影响、弹道冲击的分析模型及数值模拟做了概述 ,总结了人们为提高复合材料弹道冲击性能所做的努力 。

三维正交机织复合材料弹道冲击实验及破坏模式

本文用钢芯弹对三维机织复合材料作弹道冲击测试。得到了弹体的入射速度和剩余速度,比较了常见几种材料的弹道性能评价参数的差异,并考察侵彻破坏模式和靶体最后的损伤破坏形态。在300-800m/s冲击速度范围下观测了材料的冲击破坏形态,发现机织复合材料受弹面和子弹出射面破坏形态不一样,受弹面主要是以纤维的压缩、剪切破坏以及基体开裂为主,出射面以纤维的拉伸、厚度方向的纱线断裂为主要破坏模式。通过对破坏模式和形态的分析,可以帮助建立更加准确的破坏准则,从而在设计抗弹材料时起到一定的作用。

SiC/Al合金层状复合材料的弹道冲击动态响应

设计并制备了两种不同结构的多层SiC/Al合金复合材料,对其进行了弹道冲击测试.结果表明:具有三层陶瓷板的结构B的抗冲击性能优于具有两层陶瓷板的结构A,在弹道冲击作用下,表现出更好的结构完整性;弹道冲击后,作用于结构A的弹头质量损失66.42%、长度损失62.92%,而作用于B的弹头质量损失63.65%、长度损失65.43%;结构B的单层陶瓷板厚度较小,但是对弹头的磨蚀作用强于结构A;陶瓷/金属层状复合材料作为一个整体,其金属内衬板自身也吸收一部分冲击动能,从而导致了向后的变形,同时也产生阻力对断裂锥和弹头进行减速.此外,弹-靶结合瞬间产生巨大的热量,导致弹头发生部分熔蚀,也是弹头质量和长度损失的原因之一;同时金属内衬板也发生部分熔化.

层间混杂层合板弹道冲击损伤对比研究

降低树脂基碳纤维层合板的弹道冲击损伤范围对降低飞行器的易损性有重要意义。分别对表面铺覆玻璃纤维和芳纶纤维构成层间混杂的复合材料层合板进行气炮冲击试验,运用超声无损检测方法测量层合板的弹道冲击损伤范围,并进行对比研究。结果表明:与非混杂层合板相比,给碳纤维层合板表面铺覆玻璃纤维或芳纶纤维均可减小弹道冲击穿透性损伤的范围,混杂玻璃纤维效果更好,但混杂界面均容易发生大范围分层损伤,应避免将玻璃纤维等韧性铺层铺覆在冲击背面。