三向纤维复合材料的冲击性能和抗侵彻/破坏机理研究

论文摘要

纤维增强复合材料在防护领域有广泛的应用,其在冲击载荷作用下的动态力学行为、抗弹性能和破坏机理的研究已成国内外学者的研究热点。三向机织复合材料由于在厚度方向引入纤维增强,克服了层合板易分层,层间强度低等缺点,有效地改善了材料力学性能,但相关领域的研究工作,如多相结构以及应变率效应和损伤效应的各向异性、抗侵彻性能等的研究还相对薄弱。本文以Kevlar纤维/乙烯树脂三向正交机织复合材料（3DKW）为研究对象,采用实验、工程分析方法与数值计算相结合,围绕材料的动态力学性能、抗弹性能和破坏机理开展了较系统的研究。在材料本构关系的理论和本构算法的研究工作方面,对Misess类材料的“半径回归方法”给出了最一般性的严格理论证明,并由此提出了广义回归算法讨论了其适用性和局限性;以应力空间中的屈服函数和Drucker公设为基础,推导并建立了含有多应变率因子和多损伤的热粘塑性增量型本构关系的普适形式,即粘塑性流动的自洽增量算法,并提出了广义单参数应变率因子热粘塑性增量型本构关系的显式算法,从而可保证高效准确地描述材料应变率效应的各向异性;同时还分析了静水压在本构算法中的地位以及状态方程参数选取方法等。在3DKW复合材料动静态力学性能的研究方面,通过系列的MTS准静态实验和SHPB动态实验,对材料在不同加载方向的拉伸、压缩力学性能进行了相应的研究,得到了材料的基本力学参数,并进一步建立了由Hill-Tsai模型所表述的弹塑性屈服准则和本构关系。以实验结果为基础,对不同加载方向上材料强度的应变率效应进行了分析,并分析了材料在不同加载条件下的破坏模式。在3DKW复合材料抗弹性能的实验研究方面,采用球形弹和柱形弹分别对材料靶进行了系列的贯穿实验,弹速范围被控制在500-1100m/s,分析了弹型、靶厚、纤维粗细对靶板的抗侵彻性能的影响,进一步详细分析了不同弹速对靶板破坏模式的影响以及靶板的吸能机制。在高速贯穿实验结果基础上,首次提出了“超临界耗能”的概念,假定其为弹的初始动能的某种函数,并由此提出了一种以完全贯穿实验数据为基础预测靶材弹道极限V50的方法,由该法所预测的V50值比用传统面密度法和剩余能量法预测的V50值更接近实测结果。在抗侵彻的工程分析方法研究方面,给出了一种基于球腔膨胀/柱腔贯穿相耦合的准一维工程分析方法,方法中靶板被视为横观各向同性材料,考虑了靶板强度的应变率效应和各向异性修正,并引入了波后锁应变的区域平均算法和柱腔贯穿对球腔膨胀的运动学修正。利用该方法对钢球侵彻贯穿靶板问题开展了系列分析计算,计算所得的剩余速度与实测剩余速度一致性很好。在抗侵彻的有限元计算方面,通过引入新的滑移面处理算法、新的破坏单元开关处理,引入粘塑性流动的自洽增量算法和适用于各向异性弹塑性的广义半径回归算法,改进和完善了已有的二维有限元程序HVP,并利用此软件对钢球贯穿3DKW靶板进行了2D的系列数值模拟,得到了侵彻贯穿图像、弹速衰减时程、剩余速度等结果,计算结果与实验结果吻合良好,较好地揭示了3DKW靶板抗侵彻/破坏的规律和机理。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 复合材料的动态力学性能研究
• 1.2.1 实验研究
• 1.2.2 动态本构模型的研究
• 1.2.3 强度和破坏准则
• 1.3 弹道冲击
• 1.3.1 弹道实验及经验公式
• 1.3.2 弹道冲击的理论分析模型
• 1.4 工程近似分析方法和有限元方法
• 1.5 三维机织复合材料研究现状
• 1.6 本文的主要工作
• 第二章 一般热粘塑性本构的理论框架及实例
• 2.1 修正的Drucker公设广义正交法则和普适塑性本构关系
• 2.2 “半径回归法”的本构计算公式
• 2.2.1 Mises材料的半径回归算法
• 2.2.2 广义回归算法
• 2.3 多应变率、多损伤热粘塑性本构的一般理论框架
• 2.4 热粘塑性本构关系的某些常用具体形式
• 2.4.1 各向同性材料的热粘塑性本构关系
• 2.4.2 正交各向异性材料热粘塑性本构关系
• 2.5 半径回归算法与严格增量算法适用比较
• 2.6 本章小结
• 第三章 本构算法概述
• 3.1 单应变率因子严格增量算法
• 3.1.1 由不可逆应变率定义确定塑性流动因子
• 3.1.2 由一致性准则确定
• 3.1.3 两种方法计算塑性流动因子讨论
• 3.2 自洽的增量算法
• 3.3 各向异性本构算法中的具体实现
• 3.3.1 时率无关本构算法
• 3.3.2 时率相关的本构算法
• 3.4 静压相关的本构算法的实现
• 3.4.1 静水压与屈服准则的关系
• 3.4.2 静水压与状态方程
• 3.4.3 高压状态方程获取的实验方法
• 3.4.4 高压状态方程的选取
• 3.4.5 特种材料格林系数的确定
• 3.5 本构算法中静水压的处理
• 3.6 小结
• 第四章 3DKW复合材料力学性能实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 准静态实验
• 4.2.1 实验方法简介
• 4.2.2 实验试件描述
• 4.2.3 实验结果与讨论
• 4.3 高应变率实验
• 4.3.1 实验方法和实验设备简介
• 4.3.2 实验结果与讨论
• 4.4 破坏模式的分析
• 4.5 3DKW材料基本力学参数
• 4.6 小结
• 第五章 3DKW复合材料的弹道冲击性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验概述
• 5.2.1 靶板设计
• 5.2.2 弹丸设计
• 5.2.3 实验装置
• 5.2.4 着靶速度修正
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.4 弹道极限Vc（V50）的确定—钢球
• 5.4.1 “跨界速度区法”直接测量V50
• 5.4.2 通过完全贯穿实验和近似能量守恒确定V50
• 5.4.3 通过完全贯穿实验和改进的能量分析模型确定v50
• 5.5 不同弹形和不同纤维含量靶板抗弹性能的对比与评估
• 5.5.1 不同弹头弹丸侵彻靶板效果的比较（钢球）
• 5.5.2 不同纤维含量靶板抗贯穿的比较
• 5.6 三向编织复合材料靶板贯穿破坏形貌机理分析
• 5.6.1 破坏形式
• 5.6.2 机理分析
• 5.6.3 3DKW复合材料靶与层合板贯穿破坏比较
• 5.7 小结
• 第六章 3DKW靶抗贯穿规律的准一维工程分析方法研究
• 6.1 材料的理想化模型
• 6.2 基本假定和基本方程
• 6.3 一维近似分析及计算结果
• 6.3.1 弹靶参数
• 6.3.2 计算结果
• 6.3.3 计算结果比较
• 6.3.4 靶板V50预测分析比较
• 6.3.5 弹速随时间衰减曲线
• 6.4 小结
• 第七章 钢球贯穿3DKW靶问题的二维数值计算方法
• 7.1 HVP软件简介
• 7.2 横观各向同性材料本构计算
• 7.2.1 自洽增量算法
• 7.2.2 广义回归算法
• 7.3 数值计算方法
• 7.3.1 离散化方法
• 7.3.2 计算步骤
• 7.3.3 滑移面处理等数值技术
• 7.3.4 程序框图
• 7.4 计算结果
• 7.4.1 时率无关本构算法
• 7.4.2 时率相关本构算法
• 7.4.3 弹速衰减对比
• 7.4.4 子弹贯穿靶板侵彻图样
• 7.5 小结
• 第八章 全文总结和展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 未来展望
• 参考文献
• 附:攻读博士学位期间发表的学术论文