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纤维力学性质应变率效应和针织复合材料弹道冲击破坏机理

竺铝涛

  双轴向经编针织结构由于在地组织中以0°和90°方向衬入经纱和纬纱,使针织物同时具有良好的可成形性和沿着纤维轴向较高的拉伸模量和强度,由于针织物轴向纤维束不参与交织,借助针织纱的捆绑而形成稳定的织物结构,该结构中轴向纤维束的强度利用系数从理论上达到100%。在冲击载荷下,双轴向多层经编针织(BMWK)复合材料中应力波能传递到更大的面积,使该复合材料有较高的冲击损伤容限和能量吸收能力。该类材料用于弹道冲击防护领域有巨大的应用潜力,论文将研究该复合材料中纤维的应变率效应和从单胞尺度计算弹道防护能力。 采用MTS810.23材料试验仪和自行设计的分离式Hopkinson拉杆装置(SHTB)测试玄武岩纤维束在准静态下(0.001/s)和高应变率下(直到3000/s)的拉伸性能,得到纤维束在不同应变率下的应力-应变曲线。研究结果表明,玄武岩纤维是应变率敏感性材料,纤维刚度和失效应力随着应变率的增加而增大,而失效应变却随着应变率的增加而减小。用扫描电子显微镜技术(SEM)分析玄武岩纤维在不同应变率下的断口形态,发现玄武岩纤维的断裂模式为脆性断裂,断裂横截面随着应变率的提高而趋于规整。此外,根据纤维束模型和纤维强度统计理论,应用单Weibull分布统计模型分析玄武岩纤维束的断裂强度分布,得出纤维束的强度本构方程,表征玄武岩纤维束的应变率效应,并用该本构关系对测试结果进行分析拟合。 用实验和有限元相结合的方法考察BMWK复合材料在高速冲击下的弹道侵彻破坏力学性能和能量吸收特征,得到弹体的初始速度和剩余速度以及复合材料靶板的失效破坏形态,表征复合材料靶板弹道性能的基本参数,并探讨BMWK复合材料靶板的破坏模式和防弹机理。 研究显示,BMWK复合材料具有优良的能量吸收性能,靶板单位面密度和单位厚度吸收的能量比相应的三维正交机织复合材料要高。弹道冲击过程中,玄武岩纤维束的应变率效应直接影响着弹体与纤维束的相互作用,随着测试速度的提高,纤维的强度、模量、断裂伸长和断裂功等力学性能都会发生变化。因此,准确理解纤维力学性能的应变率效应和纺织结构复合材料在弹道冲击过程中的破坏机制,可以为高精度设计抗冲击、高能量吸收复合材料结构提供理论支持。 BMWK复合材料优良的结构有效减少了面内剪切破坏,弹体入射面的破坏区域较出射面的破坏区域小,受弹面材料主要破坏模式是纤维的压缩、剪切破坏和基体开裂,而出射面的主要破坏模式是拉伸破坏。由于材料在高应变率下力学性能的变化和应力波在材料中传递导致应力分布不均等因素的影响,在不同载荷下,相似的损伤和破坏模式产生的机理、损伤程度和相互作用的强弱存在差异,子弹的冲击速度越高,破坏的区域面积越大,材料的破坏损伤越严重。 根据BMWK复合材料的微观结构,应用有限元方法,在准细观层次上建立弹道冲击精细化的材料单胞模型来表征材料的刚度矩阵,并采用FORTRAN语言,编写用户自定义子程序(VUMAT),研制了基于弹塑性本构关系、最大应力准则和临界失效面积(CDA)准则相结合的单胞模型VUMAT接口程序来定义复合材料的本构方程和破坏失效准则。 结合商用有限元软件ABAQUS/Explicit与VUMAT的相互作用,采用显式算法对BMWK复合材料数值模拟计算弹道冲击破坏过程,从弹体剩余速度、加速度、靶板变形、弹孔形状、应力波传播等方面与实验结果进行比较,精确地模拟BMWK复合材料的破坏模式,以及纤维和树脂基体在侵彻过程中吸能差异,再现复合材料高速瞬间的冲击破坏过程以及玄武岩纤维束的应变率效应,并用于复合材料能量吸收的细观结构优化和高速冲击损伤结构设计。……