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三维编织复合材料弹道侵彻的数值模拟

练军  
【摘要】:高强高模纤维增强复合材料因其具有较高的性能而广泛地应用在弹道防护领域,在相同的体系(纤维、树脂和纤维体积比含量)下,复合材料的增强相影响复合材料的弹道侵彻性能。层合板复合材料是应用最广泛的弹道防护材料,在弹道冲击下层合板的破坏形式包括纤维断裂、基体开裂和分层,而分层破坏是其最主要的破坏形式。三维编织复合材料相比于层合复合材料有较高的层间剪切强度和断裂韧性,因而其具有更高的冲击损伤容限。此外,利用三维编织技术可以一次成型得到复杂结构的预制件。由于该类复合材料细观结构的复杂性,在弹道防护领域的应用研究目前处于探索阶段。有关弹体对三维编织复合材料靶体侵彻过程和损伤机理的研究对防弹复合材料的结构设计具有重要的实际意义和理论价值。 本文主要通过对两种厚度三维编织复合材料靶板的弹道试验,揭示了三维编织复合材料在弹道冲击下的破坏形态和破坏模式,在考察三维编织复合材料细观结构的基础上,构建两种有限元模型,一种是基于三维编织结构复合材料“纤维倾斜模型"的基本思想在准细观结构层次上分解三维编织复合材料,然后建立与三维编织复合材料具有相同纤维体积含量的单向板细观模型。另一种是根据三维编织复合材料的编织结构把三维编织复合材料分为不同的组,由每组纱线的空间构形确定三维编织复合材料的整体空间构形,从而在纤维体积比含量和实际试样相同的基础上构建三维编织复合材料的细观结构模型。弹体在整个侵彻过程中没有变形,可认为是刚体,而纤维和树脂采用高应变率下的最大失效应变准则。通过精细化准细观结构模型和细观结构模型的弹道侵彻破坏过程的有限元计算,得到弹体贯穿靶体后的剩余速度和靶体变形形态。计算结果与弹道测试结果的比较证明在三维编织复合材料准细观结构简化方案基础上的精细模型和真实细观结构模型计算三维编织复合材料弹道冲击性能的有效性,并根据两种不同的模型讨论靶板破坏方式和破坏机理。


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