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层状复合结构动态力学行为及应力波传播特性研究

杨震琦  
【摘要】:随着反装甲武器威力的日益增强与特种武器的出现,对战车及相关结构的防护与生存能力提出了更高的要求,不仅应具有优良的抗弹性能,而且还应具备防辐射、防生化武器、抗碎片、防探测及强适应性、高机动性等特点。轻质复合装甲与传统的金属装甲相比具有密度小、厚度薄、强度高、可设计性强等优点,可满足多变的战场环境并能有效提高战车的生存能力。近年来,复合装甲已经逐渐取代了厚重的均质装甲,成为装甲防护领域研究的热点之一。 层状复合结构是复合装甲最典型的结构形式,如双金属复合装甲、陶瓷/金属复合装甲、硬/软/硬三层复合装甲等都是将具有不同力学响应特性的材料,按一定的层间连接方式叠合而成的功能装甲。迄今,对层状结构的研究主要集中在高速穿甲与毁伤过程的相关问题,而对多层结构在单轴压缩下的动态力学行为和应力波传播特性研究尚处于起步阶段,研究多层结构的动力学响应可为设计高效抗侵彻层状工程结构提供理论参考;另外,对构成复合装甲的关键材料——陶瓷在高应变率下有关破坏特性的研究数据较少,准确的描述陶瓷及含陶瓷结构的动态破碎可更深入的分析陶瓷材料的微观损伤演化过程等问题。 基于以上背景,本文首先研究了组成常见层状结构的单体组分材料在不同应变率下的力学性能;根据实验数据获得本构模型参数,并建立橡胶材料的修正Rivilin本构模型;将本构模型应用于数值模拟中分析了单体组分材料在SHPB加载条件下的应力均匀性问题。在此基础上,将金属/金属、陶瓷/金属双层结构、硬/软/硬三层结构作为研究对象,重点分析了层状结构在SHPB实验下的动态力学行为;金属塑性对双层结构应力均匀性的影响;软材料波阻抗和微观结构、层间界面粘结情况、橡胶层厚度和加载应力波形状对硬/软/硬三层结构应力分布特性的影响。最后,研究了氧化铝陶瓷在较高变率下的动态损伤演化及破碎模式,并分析了含陶瓷材料的双层、三层复合结构中陶瓷层的破碎特性。本文主要的研究内容如下: 第一,设计制作适用于SHPB实验的PVDF压电计,并利用LS-DYNA有限元软件对SHPB实验过程进行模拟研究。为了扩展实验测试手段,自制夹心式PVDF压电计监测试件两端应力随时间的变化,并分析压电计在动载荷作用下的响应特性,发现测量电阻、薄膜边界的应力集中、材料的热粘性效应、结构的摩擦效应和多次重复加载对测试信号都会产生影响;分析设计了适合SHPB实验的PVDF压电计敏感面积尺寸,得到了在0MPa~420MPa下传感器的动态压电系数;为了研究实验过程中试件或结构内部应力场变化,采用LS-DYNA有限元分析软件对SHPB实验过程进行了数值模拟,通过数值模拟得到的应力波平台振荡特性与实验进行比较,验证了数值模拟的有效性。 第二,利用SHPB设备对组成层状复合结构的单体组分材料在不同应变率下的单轴压缩性能进行测试。根据实验结果,讨论了每种材料的应变率敏感性和单轴压缩下的应力均匀性问题,并分析了炭黑母胶、硅橡胶和泡沫橡胶三种材料不同变形特征与机理;分别获得了表征2024-Al、CuZn40-Cu、AD95 Al2O3和开孔泡沫铝的本构模型参数,并建立了橡胶材料的修正Rivlin模型;将本构模型应用于数值模拟计算中,通过模拟结果与实验结果的比较验证了所选模型参数与修正的Rivilin模型的是正确性;最后,基于数值模拟结果描述了各种单体组分试件(不包括橡胶)内的应力场随时间的变化规律。 第三,利用SHPB实验与数值模拟相结合的方法,探讨双层结构的应力波传播特性。根据实验与数值模拟的结果,研究了金属/金属、陶瓷/金属双层结构的动态压缩特性,发现在相同的应变下,复合结构可以比单体材料承受更大的应力变化;研究了在不同SHPB实验速度撞击下复合结构内部应力场随时间的变化规律,进一步分析金属塑性对应力分布特性的影响,定量的讨论了金属屈服强度、线性硬化模量对双层结构应力波分布的影响规律。 第四,利用SHPB实验与数值模拟相结合的方法,研究三层结构的应力波传播特性。根据实验与数值模拟的结果,获得了硬/软/硬三层材料中软材料波阻抗和微观结构对应力波传播特性的影响规律;分析了结构中应力波的衰减、振荡及分布特性,并探讨了三层结构的能量吸收能力与能量吸收率随应变变化的规律;此外,进一步分析了三层结构中层间界面粘结与否、橡胶层厚度、加载应力波形状对结构应力波传播特性的影响规律。 第五,利用SHPB实验与数值模拟相结合的方法,分别分析氧化铝陶瓷单体、含陶瓷的双层结构、含陶瓷的三层结构中陶瓷的动态破碎模式与损伤演化规律。研究了陶瓷强度、临界应变和损伤变量随应变率的变化关系;基于前人的实验数据及本文得到的陶瓷动态强度,获得了针对氧化铝陶瓷的Johnson-Holmquist II本构模型参数;讨论了陶瓷在不同形状入射波作用下的动态损伤演化规律;对比分析了单体陶瓷与陶瓷/金属双层结构中陶瓷片的破碎特征,发现含金属背板双层结构中陶瓷层破碎强度比单层陶瓷略低;分析了硬/软/硬三层结构中陶瓷片的破碎特征,发现添加软材料层可以有效地防止陶瓷层在较高速度撞击下发生破碎。 综上,通过本文的研究系统地得到了组成复合结构的单体组分材料的动态力学响应特性,并详细地分析了双层复合结构、三层复合结构内部应力波传播特性与应力场的分布规律,获得的结果为轻质复合装甲结构优化设计提供了技术基础,并为设计更先进的装甲结构(如功能梯度装甲)提供了参考。


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