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复合材料弹侵彻靶体的动力学行为研究

钟卫洲  
【摘要】:本文针对复合材料弹侵彻混凝土靶开展了相应的理论分析、实验和数值模拟研究,分析了弹靶撞击行为和压缩作用下复合材料圆柱结构应力分布;研究了复合材料结构静动态抗压性能和失效模式;同时开展了复合材料弹体对混凝土靶体的正/斜侵彻实验和数值模拟,研究结果可为轻质、高强、高装填比复合材料弹的设计提供技术支撑。全文主要研究内容如下: (1)采用一维应力波理论对弹靶弹性碰撞进行了分析,指出不同于准静态问题应力分布与截面面积相关,应力波幅值在连续变截面体中传播时与截面半径相关。对泰勒撞击理论中动量一冲量平衡方程式进行了修正,修正后的公式避免了泰勒撞击理论中只要弹体速度不等于零就会产生塑性变形情况,对弹体正/斜侵彻靶体过程中弹体的高应力分布区域和相对薄弱位置进行了分析,并讨论了弹体结构设计中的结构和材料优化途径问题。 (2)利用NYL-200D型压力实验机和落锤装置对圆筒形碳纤维增强环氧树脂基复合材料结构进行了准静态和动态冲击压缩实验。在试件端部加粗的准静态压缩实验中,无填充物试件失效模式主要体现为纤维分层,表面产生褶皱,含填充物试件失效模式主要体现为试件环向膨胀导致外表面纤维分层,产生拉伸断裂。试件端部未加粗的落锤压缩实验中,失效由试件相对薄弱一端开始,薄弱端纤维层逐渐发生分层失效,分别向筒壁内外发生卷曲,并伴随纤维丝断裂,最终在破坏端形成花瓣状。在静态和动态压缩实验中试件破坏模式主要体现为纤维分层,未发生剪切破坏和整体结构坍塌现象,因此增加环氧树脂基体与碳纤维增强相间的界面结合强度,可提高复合材料结构抗压能力。 (3)基于材料体积不可压假设,对轴向压缩作用下圆柱试件在加载面内的环向和径向应力分布进行理论分析,结果表明当试件材料为正交各向异性本构时,环向和径向应力分布为半径的幂函数形式;试件材料为横观各向同性时,环向和径向应力为半径的二次函数。在圆柱试件轴线上环向和径向应力相等,且均具有最大值;试件圆周边界上径向应力为零,环向应力具有极小值。通过最大拉伸应变破坏理论对试件环向应变进行分析,获得了产生环向拉伸破坏时的临界轴向载荷;并采用Hill-蔡强度理论对试件圆周边界上计算得到的应力参量进行描述,得到了轴压作用下圆柱试件的Hill-蔡强度理论表达式,其不仅取决于轴向应力和试件材料的基本力学性能,还与试件轴向变形的应变率及应变率随时间的变化率相关。 (4)利用碳纤维复合材料壳体和金属弹头组成的复合弹体,对混凝土靶进行了高速侵彻实验,弹体分别以不同速度对强度为30MPa混凝土靶进行正侵彻和30。斜侵彻。实验结果表明:碳纤维复合材料壳体具有较高的强度,在高速侵彻靶体的过程中弹体结构能够保持完整,复合材料壳体没有纤维分层和断裂产生。相对于同样结构尺寸的金属弹体,复合材料弹填充物的质量分数约为金属弹体的两倍,因此采用轻质高强复合材料替代高密度金属弹身,不仅可以提高弹体装填比、增加比毁伤威力,而且还具有较高的侵彻能力。 (5)对碳纤维复合材料采用正交各向异性本构模型、混凝土采用HJC模型实现了复合材料弹正/斜侵彻混凝土靶的数值模拟,结果再现了弹体的侵彻过程,获得了弹体速度、加速度历程曲线,以及弹体侵彻过程中的Mises应力分布和运动姿态。正侵彻过程中弹体受到的阻力与弹轴方向一致,弹体基本呈匀减速状态运动;斜侵彻过程中由于靶体对弹体的阻力与弹轴存在夹角,弹体运动方向将发生偏移。


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