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.     

混杂防弹复合材料的结构优化及弹道机理分析

根据芳纶纤维、高强玻璃纤维和碳纤维力学性能的各向异性和靶板破坏特征,制备单一组分织物及混杂增强复合材料,同时以靶板对弹体的动能吸收能力为研究对象,对复合材料中树脂质量分数和织物铺层顺序进行试验研究及优化,以提高其防弹性能.研究表明:在复合材料靶板面密度接近的情况下,树脂质量分数为20%左右,复合材料的弹道性能最佳;结构优化后,抗压和抗剪切性能好的无机纤维织物放置在着弹面,抗拉性能好的有机纤维织物放置在背弹面,这种混杂复合材料的防弹性能高于单一织物增强复合材料;当混杂复合材料从着弹面到背弹面按照碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维织物的顺序铺层时,得到的靶板具有更佳的防弹性能.     

卵形弹体斜侵彻双层大间隔921A钢板数值模拟研究

运用显式动力学有限元软件LS-DYNA,对卵形弹体斜侵彻双层大间隔921A钢板的问题进行了数值模拟研究,分析了初始速度和初始倾角的影响. 研究结果表明:倾斜穿甲过程中弹体受到不对称载荷的作用,直接导致弹体结构响应不对称及弹道偏转,靶板间隔的存在加剧了弹体的转动. 初始速度的提高易造成弹体头部远靶板侧卵形弧段变形破坏;初始倾角的增大则会使弹体头部近靶板侧卵形弧段和尾部变形破坏. 弹道偏转规律则较为复杂:初始倾角一定,速度较低时,倾角变化幅度较大,弹体质心运动轨迹偏转较大;速度较高时,尤其是弹体结构发生破坏后,弹体姿态角剧烈变化. 初始速度一定,随着初始倾角的增大,弹体穿甲过程中的倾角和姿态角变化幅度都变大,容易发生跳弹.     

弹体高速贯穿混凝土/钢板复合靶板的试验及理论分析

为建立弹体贯穿混凝土/钢板复合靶板的终点弹道参数分析模型.首先开展了缩比弹体高速冲击贯穿混凝土/钢板复合靶板的试验研究,测得了不同打击速度下弹体贯穿复合靶板后的弹道参数.随后,基于将后覆钢板按照弹道极限相同的原则转化为混凝土靶板的原理,通过混凝土厚靶的抗贯穿分析模型,结合已有的弹体贯穿金属靶板的公式,建立了弹体高速贯穿混凝土/钢板复合靶板的分析模型.最后,将模型预测结果与试验数据进行了对比,验证了模型的正确性.     

平头弹贯穿陶瓷/金属复合装甲的分析模型

利用能量法建立平头弹贯穿陶瓷/金属复合装甲的分析模型.假定在贯穿过程中弹丸的动能被弹体、陶瓷板和金属背板3部分吸收.该模型考虑了弹体的销蚀与墩粗变形,陶瓷板的压碎与剪切破坏以及金属背板在不同厚度下的破坏模式.在给定的弹靶条件下,可以预测靶板的弹道极限及弹体的残余速度.模型计算结果与相关实验数据吻合较好.     

含超薄金属内衬轻量化复合材料压力容器的设计与制备

 随着新能源汽车、火箭发动机系统、卫星等新技术和新装备的不断发展,对其携带液体燃料和高压气体的压力容器提出高气密、轻质量、长寿命的苛刻要求.对此,本文提出一种含超薄金属内衬轻量化复合材料压力容器的设计与制备技术.研究了缠绕纤维与芯模表面间滑线系数的表征方法,提出了基于工艺可实现的精密缠绕理论;研制出0.8mm厚超薄铝合金内衬;建立了仿壁虎脚结构的界面层设计理论模型,制备出超薄金属内衬与复合材料层间的超强界面层;掌握了复合材料结构的损伤自修复方法,提高了复合材料压力容器的可重复使用次数,所研制的轻量化复合材料压力容器相比同容积、同压力的金属容器减重70%.     

薄面板复合材料蜂窝夹层结构冲击穿透试验与失效机理

为研究薄面板复合材料蜂窝夹层结构冲击穿透损伤的失效机理,对具有3层平面编织复合材料面板的蜂窝夹层板试验件进行了多种能量的冲击试验.并在考虑了面板材料的渐进失效以及面内剪切非线性应力应变关系基础上,运用LS-DYNA有限元分析软件建立了夹层板的数值模型,用以分析失效过程.结果 表明,数值模拟结果与试验结果一致.上面板穿透或整体贯穿时面板均呈花瓣状裂开,前者蜂窝以压溃损伤为主,后者则额外产生蜂窝芯体与下面板间的界面脱粘以及蜂窝壁的断裂损伤.无面板穿透时,冲击接触力将保持纤维断裂损伤阈值力大小直至冲头回弹;面板穿透则使冲击区域刚度下降,接触力随之下降,其中板整体贯穿时接触力会出现两个峰值.薄面板复合材料蜂窝夹层结构冲击穿透过程中的主要能量耗散在复合材料面板的纤维拉伸断裂,蜂窝的压溃和断裂过程也消耗部分能量.     

三维纺织复合材料和铝中冲击应力波传播与能量吸收

比较两种三维纺织结构复合材料(三维针织间隔织物和三维正交机织物复合材料)圆板和铝圆板间 的冲击行为,讨论三维纺织结构复合材料和均质各向同性材料间的冲击损伤机理.用不同冲击速度下复合材料和铝的裁荷位移曲线分析冲击加栽下应力波在材料中的传播,同时与有限元计算结果作对比分析.发现复合材料有纤维束断裂、基体开裂以及复杂的应力波传播现象,而铝只表现出弹塑性变形.     

考虑应变率效应的复合材料层合板冲击动态响应

基于对分离式霍普金斯拉杆试验结果的分析,建立了T300/epoxy复合材料考虑应变率效应的黏弹性本构模型,并将该模型引入有限元分析软件LS-DYNA,对T300/epoxy复合材料层合板进行了冲击动态响应模拟计算,计算结果与试验结果吻合较好,验证了模型的有效性.从层合板抗冲击性能的角度提出了有效冲击时间的概念,探讨了考虑应变率效应时复合材料层合板在高速冲击有效时间内的应力(应变)分布、挠度随冲击速度的变化等动态响应规律.分析发现:最大正应变和层间剪应力沿层合板边长方向的衰减先快后慢,衰减速度明显变小的范围大约在距弹着点20 mm附近;在相同冲击速度条件下,层合板的挠度随到冲击点距离的增大而减小,在2个垂直方向上挠度分布规律基本相同,层合板表现出整体变形的对称性;存在冲击影响域,在一定范围(10 mm)之外,冲击速度高时层合板的挠度反而小,冲击影响域也小.     

破片侵彻含内衬碳纤维复合材料圆筒损伤机理

为研究含内衬碳纤维复合材料圆筒在破片侵彻下的损伤机理,基于LS-DYNA有限元仿真软件,采用Chang-Chang损伤准则和Cohesive界面单元,建立了考虑分层损伤的含内衬碳纤维复合材料圆筒在破片侵彻下的数值仿真模型。通过仿真计算破片对碳纤维复合材料圆筒的动态侵彻过程,得到了碳纤维层和金属内衬层的应力云图和损伤结果,研究了含内衬复合材料圆筒在破片侵彻作用下的损伤机理、吸能特性和破片初始速度对复合材料圆筒损伤模式的影响。研究结果表明：含内衬复合材料圆筒的损伤状态包括纤维断裂、层间分层、内衬凹陷、内衬破孔和复合材料层与内衬层分离。当破片速度为300 mm/s时,复合材料层的层间分层损伤程度处于较低状态,内衬层凹陷程度最大并形成破孔,复合材料层和内衬层的分离程度最大,内衬层的吸能比达到最大;当破片速度小于300 mm/s时,破片未完全穿透圆筒,复合材料层和内衬层的损伤程度较低,复合材料吸能比大于内衬层吸能比;当破片速度大于300 mm/s时,复合材料层的损伤模式为剪切冲塞,层间分层面积逐渐增大,内衬层凹陷程度逐渐降低,分离程度逐渐降低,内衬层吸能比降低并稳定在0.53左右。     

功能梯度复合靶冲击毁伤研究进展

综述了以金属复合靶板、陶瓷/金属复合靶板为代表的功能梯度复合靶在弹丸撞击作用下的抗侵彻性能、破坏模式和毁伤机理等的国内外研究现状。分理论研究、实验研究和数值模拟三方面,重点讨论了靶板材料、靶板层数、组合方式及弹头形状等因素对靶板抗侵彻性能的影响。同时,结合作者前期相关工作,指出了当前研究工作中存在的不足,并提出了有待进一步研究的问题。     

陶瓷/金属复合靶板侵彻问题的数值模拟

利用大型非线性有限元程序LS—DYNA,对陶瓷／金属复合靶板的侵彻问题进行数值模拟,研究了陶瓷面板中锥形破坏区的形成过程．金属背板的弯曲及撕裂过程和弹体的墩粗变形及弹头消蚀过程．给出了背板背面中点和弹体尾部的位置坐标随时间的变化曲线,并将模拟结果与理论模型分析结果和实验结果进行了对比,发现三者吻合很好．文中还分析了不同陶瓷面板和金属背板厚度比对复合靶板抗弹能力的影响,结果表明,要提高靶板的抗弹能力,一定存在一个最佳的厚度比,这一结论对复合靶板设计具有参考价值．     

Numerical Simulation on Ceramic/Metal Armours Impacted by Deformable Projectile

Numerical simulation for the dynamic response of ceramic/metal armours impacted by deformable projectile is carried out with LS-DYNA3D.The simulated penetration processes are shown. The mushrooming of the projectile is displayed. A distinct conoid shaped zone of fragmented ceramic is observed. A significant bending of the backing plate is revealed. Simulation results match fairly well with the experimental values and the theoretical analysis results. The accuracy of the numerical simulation is validated.     

Macro-micro dynamic behaviors and fracture modes of roll bonded 7A52/ 7A01/7B52 aluminum laminates in high velocity deformation

Damage tolerance improvement in the lamination of aluminum alloy plates and composites has been reported in many studies. In the present study the macro-micro dynamic deformation behavior and related mechanisms of 7A52/7A01/7B52 laminated plates processed by hot roll bonding of 7A52, 7A01 and 7B52 plate at high strain rates and quasi-static compression has been investigated. The microstructure of the laminated plates was examined with backscatter diffraction (EBSD) techniques, scanning and transmission electron microscopies. The results showed that with increased strain rate, obvious strain rate hardening was observed in the single layer specimens. The peak flow stress of the multilayer samples was slightly higher than that of the 7A52 monolayer samples and much lower than that of the 7B52 monolayer samples at the same strain rate. Beyond the peak stress state, the strain hardening was replaced by thermal softening in the 7A52 layer, leading to low resistance of deformation and high tendency to facilitate deformation-induced adiabatic shear bands (ASBs) that consist of dynamic recrystallized grains. ASBs in laminated samples were deflected and bifurcated at the interface of 7A52 layer. In addition, bifurcated ASBs converged at the interface between the 7A52 and 7A01 layers. The high deformation resistance observed in the laminate under dynamic loading was a consequence of the high capacity for strain hardening in the 7A01 layer. This hardening effectively overcame the influences of thermal softening and dynamic recovery during dynamic loading. This study provides an understanding of the laminate's microstructure evolution during dynamic deformation and its relevance to the fracture modes of a multilayer structure under dynamic loading.     

活性芯体子弹对柴油油箱引燃效应及机理研究

针对传统惰性子弹对柴油油箱引燃能力不足的问题,提出一种活性材料填充钨合金子弹结构.基于12.7 mm弹道枪,开展了活性芯体子弹对柴油油箱引燃效应实验研究,结合子弹侵彻过程动力学理论分析,得到了弹芯结构、子弹与油箱碰撞位置对引燃效应影响规律,并揭示了活性芯体子弹结构对柴油油箱的引燃机理.研究结果表明,在装填等质量活性材料的情况下,子弹结构活性材料腔长径比越小,子弹实心段长径比越大,活性材料非自持反应释能更完全,燃油流体动压更显著,引燃效率更高;子弹作用油箱位置影响子弹与燃油作用时间,通过影响燃油内流体动压效应及活性材料点火时间,显著影响引燃效率;活性芯体子弹通过动能侵彻流体动压效应及活性材料化学反应释能的双重作用,使其对柴油油箱的引燃效率显著高于传统惰性子弹.      

圆筒型陶瓷-钛合金-芳纶三单元层复合靶板结构抗弹性能数值模拟及其内在机理

针对53式7.62 mm口径穿甲燃烧弹对圆筒型陶瓷-钛合金-芳纶三单元层复合靶板结构的侵彻过程,本文开展了抗弹性能数值模拟研究.模拟结果表明,弹体垂直入射将造成陶瓷块开裂破碎,最终撞击在钛合金单元层上形成凹坑,复合靶板穿深与试验所测结果吻合良好,相对误差仅为9.4%;陶瓷、钛合金、芳纶三个单元层消耗的能量所占百分比分别为83.77%,13.77%,2.46%.在此基础上,通过设置0°~70°系列不同初始时刻入射姿态角θ₀,发现弹体侵彻过程中陶瓷单元层耗散的能量占复合靶板耗散总能的比值始终最大.进一步分析陶瓷单元层可知,随着θ₀的增大,陶瓷单元层受力峰值总体呈减小的趋势.且入射姿态角不同,弹靶作用模式也存在差异.对陶瓷单元层进行耗能分析,可知其与质量损失变化大体一致.但初始时刻入射姿态角为30°时,由于弹靶作用过程以弹身接触靶板为主,靶板质量损伤大但能量获取相对较少.      

冶金工业锯切噪声机理及降噪

对金属锯切噪声发生机理研究表明，圆锯机工作时的主要声源有空气动力性噪声、锯片振动噪声和工件振动噪声．在研制的多种降噪结构图锯片中，基于干摩擦阻尼耗能原理的分层锯片降噪效果最为显著（噪声级降低１２ｄＢ（Ａ佐右）在此基础上设计了一种低噪声回锯机，其降噪效果为２１ｄＢ（Ａ）左右．     

白梧桐木材纵向抗弯弹性模量的预测模型

在对白梧桐木材的结构进行简单化、均匀化假设基础上,根据复合材料力学及经典层合板理论,建立了白梧桐木材纵向抗弯弹性模量(MOE)的预测模型,并进行了验证。试验结果表明,针对白梧桐木材所拟定的两种细胞单元截面尺寸都可以表征其细胞单元和胞壁率。另外,依据复合材料力学建立的预测模型,获得的理论MOE精度较高; 以拟定两种截面尺寸的细胞单元所获得的理论MOE与实际MOE相对误差不超过10%。     

复合材料层合悬臂板的非线性动力学研究

 以飞机机翼的颤振为实际工程背景,考虑高阶横向剪切效应、几何大变形和横向阻尼的影响,基于Reddy的高阶剪切变形理论和von Karman的大变形理论,利用Hamilton原理对纤维增强复合材料层合悬臂板的非线性动力学问题进行了研究。建立了复合材料悬臂板在面内激励和横向外激励联合作用下悬臂板广义位移形式的偏微分运动控制方程。利用Galerkin方法,选取二阶模态对复合材料层合悬臂板偏微分形式运动控制方程进行二阶模态截断,得到了具有三次非线性项、参数激励项和横向激励项的常微分形式二自由度非线性动力学方程。在考虑主参数共振和1:2内共振的情况下,用多尺度法获得了复合材料层合悬臂板四维直角坐标形式的平均方程。在平均方程的基础上,利用数值方法分析面内激励和横向激励幅值对系统非线性动力学特性的影响,得到了1:2内共振时复合材料层合悬臂板动力学方程的平面相图、波形图、三维相图和频谱图。结果表明,随着外激励的变化,系统会出现单倍周期运动、多倍周期运动、概周期运动和混沌运动。