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

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。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 引言

1.2 FRP层合板弹道冲击性能研究进展

1.2.1 FRP层合板冲击性能概述

1.2.2 低速冲击下层合板弹道性能研究概况

1.2.3 高速冲击下层合板弹道性能研究概况

1.2.4 FRP层合板结构性能对其冲击性能的影响

1.3 FRP层合板弹道冲击性能研究方法综述

1.4 本文的研究内容

第二章FRP层合板准静态侵彻实验及理论模型研究

2.1 引言

2.2 试件制备与实验装置概述

2.3 实验结果与分析

2.3.1 E-glass／phenolic层合板

2.3.2 S2-glass／phenolic层合板

2.4. 薄FRP层合板准静态侵彻的理论模型

2.4.1 层合板整体变形理论模型

2.4.2 薄FRP层合板破坏模式分析

2.4.3 平头弹侵彻的能量分析

2.4.4 与实验结果比较与讨论

2.5 薄FRP层合板弹道极限计算公式

2.6 本章小结

第三章FRP层合板局部化破坏理论模型研究

3.1 引言

3.2 锥形头弹丸侵彻下模型的建立及讨论

3.2.1 靶体动阻力假设

3.2.2 锥头弹丸的侵彻方程

3.2.3 锥头弹丸的穿透方程

3.2.4 结果及讨论

3.3 卵形弹丸侵彻下模型的建立及讨论

3.3.1 弹头表面阻力假设

3.3.2 卵形弹丸的侵彻方程

3.3.3 卵形弹丸的穿透方程

3.3.4 结果及讨论

3.4 总体响应模式和局部破坏模式之间的转化条件

3.5 本章小结

第四章建立基于损伤力学的层合板连续损伤本构模型

4.1 引言

4.2 基于损伤力学理论的复合材料层合板损伤分析概述

4.2.1 连续介质损伤力学基本原理

4.2.2 纤维增强层合板损伤本构研究综述

4.3 纤维增强材料层合板连续损伤本构模型

4.3.1 模型的提出

4.3.2 正交各向异性材料本构关系

4.3.3 失效准则判定

4.3.4 损伤演化规律

4.3.5 应力更新

4.4 本构模型的数值化实现

4.5 本章小结

第五章FRP层合板高速侵彻数值模拟

5.1 引言

5.2 ABAQUS及冲击力学有限元数值方法简介

5.2.1 瞬态动力学分析的基本原理

5.2.2 复合材料层合结构冲击响应的显式非线性有限元分析

5.2.3 沙漏控制

5.2.4 人工体积粘性

5.3 ABAQUS用户子程序的开发

5.4 平头弹丸侵彻复合材料靶板有限元模型

5.4.1 模型的建立

5.4.2 数值模拟结果分析

5.5 本章小结

第六章全文总结和今后工作展望

6.1 全文工作总结

6.2 今后工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果