复合材料层板高速冲击损伤研究

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纤维增强复合材料以其优异的综合力学性能,在航空航天以及防护装甲等领域得到了广泛的应用,深入研究其弹道性能和高速冲击损伤特性,详细分析侵彻破坏过程及失效机理,不仅是结构生存力研究的主要内容,而且是结构抗战伤设计的重要基础,已成为当前复合材料领域的研究重点和热点之一。本文采用理论分析与数值计算相结合的方法,围绕复合材料层板动态本构模型、抗弹性能和损伤特性展开系统的研究,主要内容包括:(1)针对任意角度铺层的复合材料层合薄板,基于高速冲击过程中的能量守恒,建立了复合材料层板高速冲击问题的力学分析模型。该模型考虑了纤维断裂,基体裂纹和分层三种主要损伤形式。根据高应变率下单层板的本构关系,采用一维应力波的传播理论,计算复合材料层板冲击后的变形区尺寸和层板应变场,利用能量守恒迭代求解弹体的冲击剩余速度和弹靶接触力等参量,着重研究了复合材料层合薄板高速冲击中的损伤面积和形状,探讨了冲击速度、弹体直径以及靶板铺层情况对损伤形状和大小的影响规律。(2)根据纤维增强复合材料的宏观和细观结构,基于纤维的线弹性假设和基体的粘弹性假设,推导了单向纤维增强复合材料层板材料主方向上的应力应变关系。在此基础上,结合三维Hashin失效准则,建立了单向复合材料三维粘弹性损伤本构模型。针对复合材料层合薄板,采用复合材料板壳理论,推导了高应变率下的一阶剪切层板理论,结合二维Hashin失效准则,建立了复合材料层板二维粘弹性损伤本构模型。(3)在二维粘弹性损伤本构的基础上,采用非线性有限元方法,应用ABAQUS软件及其材料用户子程序VUMAT建立复合材料薄板高速冲击损伤有限元分析模型。模型中考虑了复合材料在高速冲击过程中的应变率强化效应,结合Hashin失效准则,模拟了复合材料层板高速冲击损伤破坏过程,通过数值分析深入探讨了相关参数对弹道性能和损伤特性的影响规律。(4)从复合材料层板的细观结构出发,在有限元建模中引入界面单元模拟层板的层间分层,采用三维粘弹性损伤本构模型模拟单层板的力学特性,建立了复合材料层合厚板高速冲击损伤三维有限元分析模型。深入研究高速冲击下复合材料层板的弹道性能和损伤特征,重点分析了高速冲击损伤沿厚度方向上的变化规律。通过数值分析深入探讨了相关参数对复合材料层板弹道性能和损伤特征的影响规律,获得了一些有价值的结论。(5)基于ABAQUS软件平台,建立复合材料加筋壁板高速冲击损伤有限元分析模型,分析不同结构形式下复合材料加筋壁板高速冲击后的损伤特性和抗弹性能,详细讨论结构参数对损伤结果的影响。
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