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弹丸正撞击下纤维增强树脂基层合板破坏模式的理论和数值研究

覃悦  
【摘要】: 随着材料科学,结构冲击和防护工程技术的发展,纤维增强树脂基复合材料层合板在航空、航天、海洋、交通、化工、核工业以及国防等诸多领域得到了日益广泛的应用。由于层合板结构及材料特性的复杂性,其弹道冲击过程十分复杂,影响因素也较多,包括靶板的几何尺寸,结构形式,材料力学特性以及弹丸形状,弹丸入射速度等等。因此,使用单一的研究手段,不管是实验的,理论的还是数值的,来建立简化理论模型都显得尤为困难。本文采用实验、工程近似理论分析模型和数值计算相结合的方法,较系统地研究了弹丸侵彻纤维增强树脂基复合材料层合板的问题。 首先开展了玻璃纤维增强树脂基层合板(GRRP)的准静态侵彻实验,从实测的侵彻载荷-位移曲线和层合板的破坏形貌出发,探讨了平头弹侵彻不同厚度层合板时的破坏模式以及层合板的抗侵彻特性。在实验研究的基础上,针对平头弹侵彻较薄靶板的特点,提出了一个考虑整体变形破坏模式的简化准静态力学模型,并提出了一个等效应变破坏准则,该准则同时考虑横向剪切和拉伸(弯曲)对破坏的影响。在分析弹道冲击下复合材料的变形特点和吸能机制的基础上,从能量平衡原理出发,引入动态增强因子的概念,建立了预测薄板在平头弹丸撞击下弹道极限的计算公式,模型预测与实验结果的比较验证了模型的合理性。 其次,研究了不同弹头形状的弹丸撞击下FRP层合板的侵彻和穿透性能,假定靶板只发生局部变形,改进了Wen有关侵彻力的半经验公式,动阻力部分认为侵彻阻力不再是一个常数,而是侵彻速度的函数,结合运动方程给出了不同弹头形状弹丸侵彻各种复合材料靶板的残余速度和靶板的弹道极限公式,并与文献中已有的结果进行了比较和讨论,吻合较好。并利用Von Karman临界速度给出了总体响应模式和局部破坏模式之间的转化关系。 最后,以连续损伤力学为指导,针对纤维增强树脂基复合材料层合板的基本特点,建立了便于数值计算的正交各向异性板材料连续损伤模型。将推导出的含损伤的正交各向异性材料本构嵌入到ABAQUS,开展了纤维增强树脂基复合材料层合板弹道冲击过程的三维有限元数值模拟。将数值模拟结果与实验结果进行比较,得到了一些有意义的结论。


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