剪切增稠液夹芯板的抗侵彻性能及破坏机理研究

摘要

夹芯结构由面板和芯层组成，因其具有比密度小、比刚度高和优异的吸能性能等特性使得其在结构工程、航空航天、交通运输和安全防护等领域得到广泛的应用。随着各个领域不断发展和需求，开发和制备高性能夹芯结构芯层材料成为夹芯结构领域的重点研究方向。剪切增稠液是由纳米颗粒和分散介质组成的纳米颗粒悬浮液，在受到冲击载荷时其粘度会急剧增加，甚至转化为类固体状态，而当载荷撤销时其恢复液态，在剪切增稠转化过程中消耗大量的能量，其在减振降噪和安全防护等领域受到广泛的关注。本文提出将剪切增稠液作为芯层设计和制备夹芯板，并研究其抗侵彻及吸能特性。 本文改进了霍普金森压杆动态加载装置，并利用该装置开展了剪切增稠液夹芯板的动态侵彻实验，得到了不同冲击速度下剪切增稠液夹芯板的破坏模式，分析了剪切增稠液夹芯板的破坏机理，并讨论了不同冲击速度下夹芯板中剪切增稠液的能量吸收特性。基于实验结果，利用ANSYS/LS-DYNA开展了数值计算分析，研究了侵彻过程中剪切增稠液中应力波的传播规律，并讨论了剪切增稠液夹芯板的破坏机理，得到了以下结论： （1）利用Stober法制备了直径约为350纳米的二氧化硅球形纳米颗粒，且制备了体积分数为54%和56%的剪切增稠液，其在剪切增稠过程中最大粘度分别为159 Pa·s和465 Pa·s，表现出较好的剪切增稠效应；利用上述剪切增稠液分别制备了夹芯板。 （2）侵彻实验结果表明，剪切增稠液夹芯板在弹体侵彻下表现出不同的破坏模式。其中，对称夹芯板的背板发生花瓣型破坏，非对称夹芯板在弹体速度低于80m/s时发生冲塞破坏，而90m/s以上速度时发生花瓣型破坏。在能量吸收方面，剪切增稠液夹芯板的能量吸收随弹体速度的增大而增大，其原因是由于随着弹体速度增大，剪切增稠效应使得弹体阻力增大，能量吸收效率提高。 （3）数值计算结果表明，应力波在剪切增稠液的传播过程中发生了明显的衰减；此外，由于弹体在剪切增稠液中的运动，使得弹体周围的剪切增稠液发生剪切增稠效应，使得弹体前端剪切增稠液压力增加，使得弹体速度发生明显减小。此外，对称夹芯板的背板在弹体推动剪切增稠液冲击下产生较大变形，发生面板撕裂，导致花瓣破坏；而非对称夹芯板在弹体以较低冲击速度侵彻时，侵彻过程中背板变形较小，背板发生冲塞破坏，但较高速度侵彻时，背板在弹体高速推动剪切增稠液冲击下产生较大变形，导致花瓣型破坏。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 夹芯结构的研究现状

1.3 剪切增稠液体的研究现状

1.4 本文的主要研究工作

第2章 剪切增稠液体的制备及性能表征

2.1 纳米二氧化硅的制备

2.2 流变性能测试

2.3 本章小结

第3章 对称与非对称夹芯板的侵彻实验研究

3.1 实验设计

3.2 破坏模式

3.3 破坏机理

3.4 剩余速度与能量吸收

3.5 本章小结

第4章 弹体侵彻夹芯板的数值模拟研究

4.1 有限元模型

4.2 数值计算模型的验证

4.3 剪切增稠液中应力波的传播

4.4 背板应力及变形分析

4.5 弹体侵彻夹芯板的过程

4.6 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间参加的项目和发表的论文