玄武岩纤维/泡沫铝复合板的冲击力学行为研究

摘要

本文立足于舰船轻量化工程，将连续玄武岩纤维（Continuous Basalt Fiber-CBF）复合材料板与球体开孔泡沫铝制备成具备质量轻、抗冲击、吸能性好等特点的新型复合板，并对CBF复合材料板、球体开孔泡沫铝及其复合板的静动态性能及冲击性能进行了实验研究，从而为舰船轻量化结构对功能一体化板的设计提供参考。本文的研究工作主要包括以下几点：
　　1．对用于研究材料动态性能的霍普金森杆实验装置进行了改进。提出了空心锥冲击杆抑制入射波弥散效应方法，通过数值仿真分析和实验验证，结果表明该方法可以有效的抑制霍普金森压杆中入射波的弥散效应；对自行研制的双气室冲击拉伸装置中应力波的传播效应进行了实验和数值仿真研究，论证了实验装置设计的合理性和可靠性；对霍普金森压杆进行了侵彻实验的改造，使其可以完成复合板的侵彻实验，并采用在冲击点附近粘贴应变花的方法评估弹体的侵彻效果。
　　2．对两种不同工艺制备的CBF复合材料板力学性能及损伤进行了实验研究。利用真空辅助成型工艺制备了CBF复合材料板，对其静力学强度进行了测试分析，并采用声发射技术，对不同铺层角度复合材料板拉伸时的损伤破坏进行了声发射监测和分析；对模压工艺制备的CBF复合材料板的静动态性能进行了测试分析，得到了材料在不同应变率下拉伸和压缩的率相关特性，并采用声发射技术对模压工艺复合材料板拉伸时的声发射现象进行了监测和损伤分析。研究结果表明 CBF复合材料板在拉伸时具有很好的声发射信号特征，适合于声发射的在线监测。
　　3．对球体开孔泡沫铝的静动态力学性能进行研究。通过压缩试验，研究了球体开孔泡沫铝的厚度H、横向尺寸L、球体直径D等尺寸变化对其静态压缩性能的影响，结果表明当厚度H一定，L/D大于7时，材料的压缩屈服强度趋于稳定；根据泡沫铝的经验型本构关系，给出了不同厚度和相对密度下球体开孔泡沫铝的本构方程，并与实验结果对比，结果表明，所得到的经验型本构具有很好的适用性；利用霍普金森压杆研究了球体开孔泡沫铝在不同应变率下的动态响应，结果表明该种泡沫铝具有明显的率相关性，但随着高度的增加而减小，其原因在于当泡沫铝厚度较小时，其变形具有整体性，而当泡沫铝的厚度较大时，其变形模式为从加载端逐层压缩变形。
　　4．对CBF/泡沫铝/CBF复合板的冲击性能进行了研究。对比分析了泡沫铝芯层厚度变化对CBF/泡沫铝/CBF复合板静动态压缩性能及变形模式的影响；研究了CBF复合材料板及CBF/泡沫铝/CBF复合板的抗冲击性能及破坏模式，测试了不同弹体冲击速度下CBF复合材料板和CBF/泡沫铝/CBF复合板在监测点的应变-时间曲线，通过监测点各方向动态应变响应特征分析，对它们的抗冲击性能进行了定性评价。
　　5．采用真空负压工艺制备了CBF/陶瓷/泡沫铝/CBF复合板，利用理论分析和数值仿真的方法分析了应力波在复合板中的传播特点，结果表明该复合板对应力波所产生的力学参量具有大幅衰减作用；对不同厚度参数的CBF/陶瓷/泡沫铝/CBF复合板的低速冲击性能进行实验研究，结果表明复合板的抗冲击性能随着泡沫铝和陶瓷厚度的增加而增强，其中泡沫铝的增强效果更好。
　　6．利用高速冲击装置，对不同厚度参数CBF/陶瓷/泡沫铝/CBF复合板的高速冲击性能进行了实验研究，分析了复合板的破坏模式及损伤机理，结果表明弹体被严重侵蚀，陶瓷呈现锥形破坏，泡沫铝呈现倒锥形的弹坑，复合板充分发挥各组成材料的优势，具有良好的抗冲击性能，且陶瓷厚度的增加可以明显提高抗冲击效果；对复合板在低速和高速弹体冲击下的实验进行了数值仿真，再现了复合板的破坏过程，分析了复合板结构对弹体降速的影响以及复合板各层在抵抗冲击时的作用效果。
　　本文的研究成果可以为 CBF复合材料板、球体开孔泡沫铝及其复合板的工程应用提供必要的实验和理论基础，具有一定的参考价值和指导意义。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究的思路及主要内容

第2章 基于Hopkinson杆的动态测试技术研究

2.1 引言

2.2 SHPB装置及其测试有效性验证

2.3 空心锥冲击杆入射波整形研究

2.4 冲击拉伸装置测试有效性分析

2.5 基于Hopkinson杆改进的低速侵彻装置

2.6 本章小结

第3章 CBF复合材料板的力学性能研究

3.1 引言

3.2 CBF复合材料板的制备

3.3 CBF复合材料板的力学性能试验研究

3.4 CBF复合材料板拉伸时的损伤分析

3.5 本章小结

第4章 球体开孔泡沫铝的力学性能研究

4.1 引言

4.2 球体开孔泡沫铝材料的静态压缩性能研究

4.3 球体开孔泡沫铝的动态力学性能研究

4.4 球体开孔泡沫铝吸能特性分析

4.5 本章小结

第5章 CBF/泡沫铝/CBF复合板的冲击性能研究

5.1 引言

5.2 CBF/泡沫铝/CBF复合板的静动态力学性能

5.3 CBF/泡沫铝/CBF复合板低速冲击试验及破坏分析

5.4 本章小结

第6章 CBF/陶瓷/泡沫铝/CBF复合板的冲击性能研究

6.1 引言

6.2 CBF/陶瓷/泡沫铝/CBF复合板的制备

6.3 应力波在CBF/陶瓷/泡沫铝/CBF复合板中的传播

6.4 CBF/陶瓷/泡沫铝/CBF复合板的低速冲击试验研究

6.5 CBF/陶瓷/泡沫铝/CBF复合板的高速冲击试验研究

6.6 CBF/陶瓷/泡沫铝/CBF复合板冲击的数值分析

6.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

个人简历

致谢