纤维增强层合材料的抗弹性能和破坏机理研究

论文摘要

纤维增强层合材料在防护领域的广泛应用，使得其在冲击载荷作用下的动态力学行为和抗弹性能的研究引起了国内外学者的关注。与金属材料相比，由于纤维层合材料的各向异性，多相结构以及复杂的损伤破坏模式，相关领域的研究还相对薄弱。本文以防护工程中广泛使用的Kevlar／环氧层合材料为研究对象，采用实验、工程近似分析与数值计算相结合的方法，围绕材料的动态力学行为、抗弹性能和破坏机理开展了较为系统的研究。 本文首先对Kevlar／环氧层合材料的动静态力学行为进行了研究，比较了纤维铺设方式(角度铺层、织物铺层)、加载方式对材料力学行为和破坏模式的影响。结合上述实验结果，在现有模型基础上加以改进，提出了一种经验型本构模型。该模型除了包含应变率硬化、损伤软化效应外，还引入了增强系数来描述纤维铺设方式对材料整体力学行为的影响，因而具有更为广泛的适用性。由模型预测的应力应变曲线与实验曲线具有良好的一致性。 采用平头弹和锥头弹对Kevlar／环氧层合材料进行了准静态侵彻和弹道冲击实验，分析了弹形、板厚和纤维铺设方式对靶板的抗侵彻性能与变形破坏模式的影响。研究指出：1)准静态侵彻薄板时，织物铺层板的整体变形比角度铺层板高得多，因而表现出更高的抗侵彻性能。2)与准静态侵彻不同，弹道冲击下不同铺设方式靶板的抗弹性能与板厚有关。当靶板较薄时，角度铺层板与织物铺层板的抗弹性能相近；随着板厚的增加，角度铺层板显示出更好的抗弹性能。 针对平头弹侵彻的特点，提出了一个分析层合板侵彻贯穿的工程近似模型，通过近似模型的建立，系统地研究了材料的准静态和弹道侵彻性能。模型假定准静态侵彻下层合板的变形由整体弯曲变形和局部压入变形两部分组成，通过不同破坏判据的引入建立了准静态侵彻分析模型，模型预测的最大位移、侵彻力和吸能量与实验结果基本相符。参考准静态侵彻模型的处理方法，考虑到弹道冲击下层合材料的变形特点和吸能机制，从能量平衡原理出发，建立了分析弹道侵彻的能量分析模型，预测了弹丸的剩余速度和靶板的吸能量，预测结果与实验结果的比较验证了模型的合理性。 以连续损伤力学为指导，针对纤维增强层合材料的基本特点，建立了便于数

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纤维增强层合材料的动态力学性能研究
• 1.2.1 动态力学性能的实验研究
• 1.2.2 动态本构模型的研究
• 1.2.3 强度（破坏）准则的研究
• 1.3 纤维增强层合材料的弹道冲击性能研究
• 1.3.1 层合材料弹道冲击特性的实验研究
• 1.3.2 工程近似分析
• 1.3.3 数值分析
• 1.4 本文的研究.内容
• 第二章 Kevlar层合材料的动静态力学性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 试件制备与实验装置
• 2.3 实验结果与讨论
• 2.3.1 准静态力学性能实验
• 2.3.2 动态力学性能实验
• 2.4 本构关系研究
• 2.4.1 本构模型的引入
• 2.4.2 典型应力-应变关系的拟合
• 2.4.3 增强系数的讨论
• 2.5 本章小结
• 第三章 Kevlar层合材料的准静态侵彻特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验装置概述
• 3.3 实验结果与分析
• 3.3.1 角度铺层板
• 3.3.2 织物铺层板
• 3.4 近似分析模型
• 3.5 本章小结
• 第四章 Kevlar层合材料的弹道冲击性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验概述
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 不同弹头弹丸侵彻靶板效果的比较
• 4.3.2 不同纤维铺设方式靶板抗弹性能的比较
• 4.3.3 靶板破坏模式的比较
• 4.4 弹道侵彻的能量分析模型
• 4.5 本章小结
• 第五章 纤维增强层合材料的连续损伤本构模型
• 5.1 引言
• 5.2 纤维增强层合材料的连续损伤本构模型（CDM模型）
• 5.2.1 模型的提出
• 5.2.2 基本假定
• 5.2.3 正交各向异性材料的本构关系
• 5.2.4 损伤模式及其判据
• 5.2.5 损伤的演化方程
• 5.2.6 破坏后行为的描述
• 5.2.7 应变率效应的影响
• 5.3 本章小结
• 第六章 Kevlar层合材料高速侵彻过程的数值模拟
• 6.1 引言
• 6.2 冲击力学有限元数值方法
• 6.2.1 控制方程和有限元离散
• 6.2.2 接触算法
• 6.2.3 沙漏控制
• 6.2.4 人工体积粘性
• 6.3 纤维增强层合板抗侵彻贯穿的数值模拟
• 6.3.1 弹靶系统几何参数及有限元模型
• 6.3.2 数值模拟结果和分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文总结和今后工作展望
• 7.1 全文工作总结
• 7.2 今后工作展望
• 参考文献
• 附: 攻读博士学位期间发表的学术论文