低硬度聚脲/钢板复合结构抗高速破片侵彻机理试验

针对低硬度聚脲/钢板复合结构的抗破片高速侵彻机理问题,通过弹道试验,分析了复合结构靶板的侵彻破坏模式和抗弹性能,并与相同面密度的纯钢板进行了比较.从应力波的角度进一步探讨了复合结构靶板的抗弹机理,以及前聚脲层对后钢板层的影响机制.结果表明,破片高速侵彻下,前聚脲层主要呈现剪切冲塞的破坏模式;而后钢板层的侵彻破坏模式则由无前聚脲层时的剪切冲塞,逐渐转变为花瓣开裂.相同面密度情形下,虽然复合结构靶板的整体抗弹性能不如纯钢板,但由于前聚脲层的影响,后钢板层的抗弹效率会得到大幅提升;随前聚脲层/后钢板层面密度比值增大,复合结构靶板整体抗弹性能不是一直降低,而是先降低后提高,且后钢板层是主要耗能构件.     

爆炸载荷作用下玻璃钢/硬质聚氨酯泡沫夹层结构抗冲击性能实验研究

为分析玻璃钢/硬质聚氨酯泡沫组成的单夹层方板、双夹层方板以及单夹层方板单面喷涂聚脲结构在爆炸载荷作用下的动力响应及抗爆性能,进行了等面密度的3种结构靶板的爆炸冲击波毁伤效应试验,获得了3种结构靶板在爆炸载荷作用下的破坏模式,并比较了3种结构的抗冲击性能.研究发现,靶板的面板破坏模式以固支边界断裂裂纹、四角弯折裂纹和应力集中处剪切裂纹为主,芯层形成了明显的压溃区、裂纹聚集区、脱粘破坏和拉伸裂纹破坏.等面密度设计的双夹层方板和迎爆面喷涂聚脲的单夹层方板破坏程度和残余变形比单夹层结构更大;背爆面喷涂聚脲的单夹层方板破坏程度比单夹层结构更大,但背爆面板残余变形明显减小.      

聚脲涂覆三维负泊松比点阵结构的静态力学性能研究

本文针对四面内凹金字塔型负泊松比点阵结构在有无聚脲涂覆两种情况下的静态力学性能进行了试验研究.采用增材制造方法制作了不同阵列型式的试验模型,实施了点阵模型的准静态压缩试验和点阵夹层结构的三点弯曲和四点弯曲试验.试验结果表明,点阵结构在压缩载荷作用下呈现明显的负泊松比效应.涂覆聚脲后点阵结构的力学性能有明显提升,压缩平台应力约为0.6–1.0 MPa;对于多胞结构,总吸能、单位体积变形能和比吸能显著高于未涂覆聚脲模型1–2个数量级;最大吸能效率和压缩利用率大于未涂覆聚脲模型,最高分别可达40.59%和55.15%.由于未涂覆聚脲点阵结构会发生早期材料脆断,其单位体积变形能、比吸能、最大吸能效率和压缩利用率会随单元数量的增加而减小.涂覆聚脲点阵结构的吸能特性受聚脲涂层的厚度影响较大.在弯曲载荷作用下,未涂覆聚脲点阵夹层结构易出现芯层局部压溃现象,靠近压头部位的芯层最易发生破坏,且芯层破坏程度逐层降低;上面板最终呈现折线型变形,下面板呈现弧形变形模式.涂覆聚脲点阵夹层结构的上面板早期呈现"U"型变形模式,且芯层失效范围大幅减小,下面板变形较无聚脲涂覆点阵夹层结构增大19.61%–42.03%.研究结果可为设计轻质化和高效吸能的舰艇防护结构提供借鉴.     

高密度活性破片碰撞双层靶毁伤效应

 采用弹道碰撞实验,对高密度冷压成型和烧结硬化PTFE/Al/W活性破片正碰撞双层间隔铝板毁伤效应问题进行研究。实验结果表明,在高速碰撞条件下,活性破片对前靶的作用主要体现为动能贯穿破坏,与前靶相比,后靶毁伤更为严重,表现为更大的穿孔尺寸和毁伤面积,并伴随有显著的隆起及裂纹等结构破坏。引入裂纹扩展理论,分析了碰撞速度及靶板厚度对活性破片动能侵彻和爆炸作用联合毁伤效应的影响,从机理上揭示了后靶结构毁伤行为和效应。     

YAG透明陶瓷复合靶抗弹机理研究

透明陶瓷是兼具较好的力学和光学性能的新一代透明防护材料，在低面密度、高透过率、高防护能力的透明装甲方面有重要的应用前景. 为探究YAG透明陶瓷复合靶抗弹机理，本文基于弹道枪测试平台与高速摄影技术，获得了12.7 mm穿甲燃烧弹冲击YAG透明陶瓷复合靶的弹靶冲击瞬态作用过程，确定了透明陶瓷复合靶各层损伤特征与弹体的破坏形态，测定了背板背凸量. 在此基础上，利用AUTODYN动力学有限元模拟软件，建立了YAG透明陶瓷复合靶抗制式弹过程的有限元模拟方法，探究了典型结构透明陶瓷复合靶的抗弹机理，并分析了透明陶瓷与聚碳酸酯层厚度变化对其抗弹性能的影响规律. 研究结果表明，透明陶瓷复合靶依靠透明陶瓷面板的高强度破碎弹体以有效消耗弹体冲击动能，玻璃层消耗陶瓷锥的冲击能量，背板吸收残余动能，从而实现低面密度的透明防护；透明陶瓷面板的增加能够更为有效地破坏弹体，从而实现提高装甲防护能力的目的；聚碳酸酯在一定的厚度范围区间能实现复合靶较低面密度的高效防护作用.      

钢、陶瓷和UHMWPE纤维层合结构抗破片侵彻最佳组合方式

研究钢、陶瓷和UHMWPE纤维3种材料板抗破片侵彻的最佳叠层方式.对同一结构圆柱形破片,采用弹道枪加载方式对钢、陶瓷和纤维为组元材料的5种等面密度复合结构进行等着速度侵彻试验,通过对比复合结构的贯穿情况,掌握组元材料的最佳组合模式为钢/UHMWPE纤维,并以极限面密度吸能为表征参量,进行了钢/UHMWPE纤维层合结构与Q235钢抗破片侵彻性能的对比试验.研究结果表明,钢/UHMWPE纤维层合结构的极限比吸收能是Q235钢板的3.55倍.      

聚脲涂覆钢板结构抗爆性能试验研究

研究聚脲不同涂覆方式下单钢板与箱体结构的抗爆性能.进行了15.7 kg/m2相同面密度条件下2.0,1.5与1.2 mm三种厚度钢板的无涂覆、迎爆面涂覆结构抗40 g TNT外爆载荷试验,相同钢板厚度条件下1.5 mm与1.2 mm两种厚度钢板的无涂覆、迎爆面涂覆与背爆面涂覆结构抗60 g TNT外爆载荷试验,以及3.0 mm厚钢板所组成箱体的无涂覆、迎爆面涂覆与背爆面涂覆结构抗140 g TNT内爆载荷试验,通过对比不同涂覆结构的变形与破坏行为,分析聚脲涂层对结构抗爆性能的影响.结果表明,等面密度时迎爆面涂覆聚脲不能提高钢板的抗爆性能,等钢板厚度时涂覆聚脲能够有效提高钢板与箱体结构分别在外爆与内爆载荷下的抗爆性能,且背爆面涂覆时效果优于迎爆面涂覆.      

基于CONWEP算法聚脲钢板复合结构变形的数值模拟

针对爆炸载荷作用下的聚脲钢板复合结构,基于非线性有限元软件LS-DYNA,利用CONWEP算法对聚脲复合钢板结构在爆炸载荷作用下的结构变形进行数值模拟分析,并与试验结果进行了对比.结果表明,CONWEP算法能够很好的模拟聚脲钢板复合结构在爆炸载荷作用下的变形.在相同钢板厚度条件下,聚脲钢板复合结构的最大变形挠度要小于裸钢板结构.从吸能特性来看,聚脲弹性体有良好的吸能特性,聚脲钢板复合结构中钢板的吸能要低于裸钢板,使得复合结构中钢板的变形要小于裸钢板.     

聚脲弹性体涂覆结构抗侵性能与层间作用机制研究

研究了聚脲弹性体涂覆钢板、涂覆纤维复合材料板抗破片侵彻性能以及涂层与底材层间作用机制.通过弹道试验加载3.3 g立方体破片撞击聚脲涂覆钢板、FRC板结构,获得无涂覆、迎弹面涂覆和背弹面涂覆3种涂覆类型结构的弹道极限,得到了不同涂覆方式下结构抗侵彻性能差异以及变形与失效特征.结果表明,聚脲弹性体涂层对涂覆结构抗破片侵彻性能的影响作用与涂覆底材自身的吸能机制相关;钢板吸能形式为局部变形与剪切冲塞,涂层对钢板耗能作用影响小,且能够有效提高结构抗侵性能,迎弹面涂覆效果优于背弹面;FRC板吸能形式主要为背部纤维的拉伸断裂与层间分离,背弹面涂层抑制纤维板吸能作用,大幅降低涂覆结构抗侵效率.      

玻纤网格布增强PC复合片材的制备及其拉伸性能

采用热压成型工艺制备了玻纤网格布增强聚碳酸酯(PC)复合片材,考察了铺层结构、铺层角、增强纤维面密度及基体薄膜厚度对复合片材拉伸性能的影响。结果表明,增强玻纤网格布与基体膜的交替叠层为适宜的铺层结构;拉伸性能随铺层角增大而下降;低面密度的玻纤网格布适宜制备低面密度的"薄型"复合片材;采用厚度较小的基体膜可以制得拉伸性能较好的复合片材。扫描电子显微镜(SEM)分析表明交替的铺层结构有利于基体对低面密度增强纤维的束内浸渍,从而提高片材的拉伸性能。     

玻璃钢-聚氨酯泡沫夹层板抗破片侵彻贯穿研究

为研究环氧树脂玻璃钢-聚氨酯泡沫夹层复合材料靶的抗弹性能,利用弹道枪发射钨合金球形破片撞击不同厚度的单层板及不同组合方式的夹层靶板.获得了不同入射速度下靶板的破坏形貌,通过高速摄影测得破片初速与余速,并利用上下调整速度法估算出靶板弹道极限速度,分析了结构特征对复合材料靶比吸收能的影响,在此基础上,对常用理论模型进行计算对比分析.结果表明:玻璃纤维抽拔、拉伸断裂是靶板吸收能量的主要方式;聚氨酯泡沫抗弹性能较差,作为夹层材料主要作用是防护冲击波;靶板的比吸能与面密度之间呈二次函数抛物线关系,而在相同面密度下,夹层板的吸能总体上是随着玻璃钢占比的增加而增强;THOR公式更加适用于这种材料夹层板的弹道极限计算.      

石墨烯增强铝基SiC复合材料的动态失效机理与抗侵彻性能

研究石墨烯增强铝基复合材料的动态力学性能、失效机理以及抗侵彻性能.通过静、动态压缩测试掌握了材料在0.001~5 200.000 s-1应变率范围内的力学性能,揭示了该材料的应变率效应,结合光学显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）分析了该材料在静、动态压缩下的断裂机理;通过弹道枪试验掌握了该材料与Q235钢面板层叠构成复合结构及12~18 mm厚Q235A钢板的弹道极限速度及极限比吸收能.试验结果表明,Q235A钢/石墨烯增强铝基复合结构的极限比吸收能是12~14 mm厚度范围Q235A钢板的1.79倍,34.10 mm厚石墨烯增强铝基SiC复合材料的极限比吸收能与16.70 mm厚Q235A钢相当.      

铝蜂窝夹芯结构抗爆性能仿真分析与优化

利用CONWEP计算模型对铝蜂窝夹芯结构的抗爆性能进行了有限元分析，以背板最大变形和夹芯层比吸能作为抗爆性能指标，根据不同基体材料的组合结构建立了铝蜂窝夹芯结构的基准模型.基于基准模型，定量研究了铝蜂窝夹芯结构各部分结构参数和蜂窝胞元类型对其抗爆性能的影响规律.结果表明面板材料采用Al2024T351，背板材料采用RHA的组合结构具有良好的抗爆性能；相比于背板厚度变化，面板厚度的变化对铝蜂窝夹芯结构抗爆性能指标的影响更显著.应用构建代理模型的方法对铝蜂窝夹芯结构的抗爆性能进行了多目标优化设计，使铝蜂窝夹芯结构的抗爆炸冲击波性能得到了明显改善，这对抗爆结构的工程设计有一定指导意义.     

基于修正模态应变能法的硬涂层薄板阻尼性能预估

在考虑硬涂层材料的小阻尼特点以及经典模态应变能法计算误差的前提下,提出了一种适用于硬涂层复合结构阻尼性能预估的新方法.推导了修正模态应变能法的原理性公式.以一个涂敷Mg-Al硬涂层的悬臂薄板为例进行了实例研究,并讨论了硬涂层材料参数、涂层厚度对结构系统阻尼性能的影响.结果发现增大硬涂层的杨氏模量、损耗因子及厚度均可提高复合结构的阻尼性能.相关研究成果可为硬涂层材料制备及阻尼减振设计提供参考.     

基于LS-DYNA的不同材质靶板抗侵彻能力的数值模拟（修改稿）

采用LS-DYNA动力有限元软件Lagrange算法,分别对钢板、钛合金板及由钢板和钛合金板组成的双层板的抗侵彻能力进行了三维数值模拟。对比分析了口径为12.7 mm的弹丸以500 m/s的速度分别侵彻不同厚度的钢板、钛合金板和双层板的侵彻效果、动态侵彻过程及弹丸的速度时程曲线,得出钢板的临界穿深为13.7 mm,钛合金板的临界穿深为27 mm,钢板的抗弹性能优于钛合金板,双层板的结构要经过优化设计才能发挥组合板的抗弹性能优势。     

正交加筋复合材料夹层板的自由振动求解

均质正交加筋芯材基于一阶剪切理论,采用δ函数描述其非连续性;复合材料面板采用Kirchhoff假设,以上、下面板面内位移和结构整体横向位移为响应函数,通过哈密顿原理推导了正交加筋复合材料夹层板的动力学控制方程.采用级数解的形式近似求解了四边简支正交加筋复合材料夹层板的自由振动问题,通过夹层板固有频率数值仿真验证了理论推导的正确性.考虑复合材料面板的阻尼损耗,讨论了面板厚度、筋材薄壁厚度、高度、加筋间距对夹层板固有频率和结构损耗因子的影响规律.结果表明,当面密度相同时,改变筋材薄壁厚度或加筋间距对结构固有频率值无影响.