三维正交机织复合材料弹道冲击破坏：实验研究和有限元计算

论文摘要

弹道侵彻破坏是结构防护工程领域的重要研究内容。由高强度、高模量、高韧性纤维制成的织物及其复合材料具有优良的抗冲击能力和较轻的重量,可广泛应用于飞行器、船舶、汽车、建筑等防护工程领域。三维正交机织复合材料是一种典型的三维纺织结构复合材料,经向和纬向的纱束在平面内呈90°交织或排列,以提供复合材料的面内刚度和强度;厚度方向上由于引入Z向捆绑纱,维持材料的结构稳定性,大幅度提高复合材料断裂韧性和层间剪切强度,同时使三维机织复合材料具有极高的冲击损伤容限。本论文的主要工作是:（1）用玻璃纤维、对位芳族聚酰胺纤维（p-phenyleneterephthalamide,PPTA）织造三维正交机织物;借助真空辅助树脂转移成型技术（vacuum assisted resin transfer molding,VARTM）制造三维正交织物/不饱和聚酯复合材料;（2）测试复合材料弹道侵彻性质,在给定入射速度下得到弹体剩余速度,绘制弹体入射速度和剩余速度曲线,同时观测复合材料冲击破坏形态;（3）基于复合材料单胞刚度矩阵和临界失效面积破坏准则,编写定义复合材料属性的用户子程序,联合商用有限元软件包计算复合材料弹道侵彻破坏。比较实验和有限元计算结果,发现两者在对弹体动能的吸收以及复合材料靶板的破坏形态有较好的一致性。本文研究为三维正交机织复合材料在弹道防护中的应用提供了一种设计方法,所得实验结论和相应计算方法可以指导高性能防护装甲设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 综述
• 1.1 引言
• 1.2 三维正交机织复合材料的概述
• 1.3 三维正交机织复合材料力学性能研究
• 1.4 三维正交机织复合材料的动态侵彻性能研究现状
• 1.5 有限元分析方法在纺织复合材料上的应用
• 1.6 本文的研究内容
• 第二章 三维正交机织复合材料的制作
• 2.1 概述
• 2.2 三维正交混杂机织物的结构以及织造过程
• 2.3 三维正交机织复合材料的成型
• 2.4 试样加工
• 第三章 三维正交机织复合材料弹道侵彻实验及防弹性能分析
• 3.1 材料的准备
• 3.2 实验简介
• 3.3 实验结果
• 3.4 靶板弹道性能的表征参数
• 3.5 三维机织复合材料的弹道参数指标分析与讨论
• 3.6 三维机织复合材料靶板防弹机理探索
• 第四章 三维正交机织复合材料刚度矩阵
• 4.1 三维正交机织结构的分析及简化方法
• 4.2 建立单胞模型中的基本假设
• 4.3 单向板刚度和柔度矩阵（广义胡克定律）
• 4.4 三维正交机织复合材料各组分的刚度矩阵
• 4.5 三维正交机织复合材料的弹塑性刚度/柔度矩阵
• 第五章 三维正交机织复合材料弹道侵彻有限元模型
• 5.1 ABAQUS有限元模拟软件
• 5.2 有限元模型的建立和各参数的确定
• 5.3 VUMAT用户子程序应力更新原理及失效分析
• 第六章 弹道侵彻有限元计算及结果讨论
• 6.1 弹体剩余速度的计算及实验值比较
• 6.2 子弹加速度时程图比较与分析
• 6.3 弹体侵彻靶板能量损失历程图比较与分析
• 6.4 应力波在靶板材料中的传播分析与讨论
• 6.5 靶板变形破坏演化图
• 6.6 靶板贯穿后弹孔模拟形态与实际观测比较
• 6.7 靶板材料破坏模式分析
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本文研究的主要结论
• 7.2 展望和不足
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文