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平头弹冲击下复合材料层合板抗侵彻特性研究

中北大学学报(自然科学版) 2025年第1期46卷 27-34页

作者：郭安肖高经武蔡宣明于弘兴马沛冉中北大学航空宇航学院山西太原030051

为探明碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)在高速冲击加载下的力学响应和损伤失效机制,对碳纤维复合材料层合板抗侵彻特性及响应机制展开了研究。基于Hashin损伤准则,采用Cohesive界面单元,建立了考虑分层损伤... 详细信息

为探明碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)在高速冲击加载下的力学响应和损伤失效机制,对碳纤维复合材料层合板抗侵彻特性及响应机制展开了研究。基于Hashin损伤准则,采用Cohesive界面单元,建立了考虑分层损伤的碳纤维复合材料层合板在平头子弹侵彻下的数值模拟模型,通过数值模拟计算研究了复合材料层合板在高速冲击侵彻下的吸能特性以及损伤失效模式。根据经典弹道极限理论分析,确定了CFRP层合板的弹道极限,研究了在高速冲击载荷加载下CFRP层合板的损伤演化过程,分析了层合板的损伤机理。结果表明:CFRP层合板吸能特性呈双线性关系,随着冲击能量的增加,层合板能量吸收呈现先快速升高后逐渐平缓的特征;在高速侵彻的冲击作用下,CFRP层合板最先发生着弹点处纤维拉伸断裂,此后损伤破坏区域沿应力薄弱路径扩散,导致基体压溃和层合板背部的鼓包,随后演变为分层损伤,最后发生纤维束劈裂等破坏模式;在高速冲击载荷下层合板下方铺层区域破坏程度逐渐增大,纤维层铺设角度的差异性致使层合板的层间受力状况随之改变,从而使得各层之间形成了多样的破坏区域。

关键词：碳纤维复合材料层合板抗侵彻弹道极限能量吸收冲击载荷

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非药式水下爆炸冲击波加载装置研究

爆炸与冲击 2014年第3期34卷 334-339页

作者：任鹏张伟黄威叶楠蔡宣明哈尔滨工业大学高速撞击研究中心黑龙江哈尔滨150080

非药式水下爆炸冲击波加载装置作为实验室范围内一种新型水下爆炸冲击波加载技术,具有耗费低、危险性小、可重复性高等优点,对进一步研究水下冲击波毁伤效应具有重要意义。该装置通过一级轻气炮发射飞片正撞击水舱端部活塞在水舱中产生... 详细信息

非药式水下爆炸冲击波加载装置作为实验室范围内一种新型水下爆炸冲击波加载技术,具有耗费低、危险性小、可重复性高等优点,对进一步研究水下冲击波毁伤效应具有重要意义。该装置通过一级轻气炮发射飞片正撞击水舱端部活塞在水舱中产生呈指数型衰减的水下冲击波。本文中采用实验与数值模拟相结合的方法对该装置产生的冲击波可靠性进行了研究,确定了一定工况内的初始冲击波强度及衰减时间常数,实验结果表明,该装置能够有效模拟水下爆炸冲击波载荷。

关键词：爆炸力学冲击波加载装置非药式水下爆炸水下冲击波强度衰减时间常数

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某重型汽车变速箱动态特性的仿真与实验研究

某重型汽车变速箱动态特性的仿真与实验研究

作者：蔡宣明中北大学

学位级别：硕士

变速箱箱体作为整个变速箱的支撑部件,承载着各种传动系统的复杂载荷,往往会受到非常大的扭转力、弯曲以及冲击力的共同作用,因此其强度和刚度的要求是非常高的。若一味的通过增加箱体的几何尺寸来增强箱体的安全系数,这样箱体的重量会... 详细信息

变速箱箱体作为整个变速箱的支撑部件,承载着各种传动系统的复杂载荷,往往会受到非常大的扭转力、弯曲以及冲击力的共同作用,因此其强度和刚度的要求是非常高的。若一味的通过增加箱体的几何尺寸来增强箱体的安全系数,这样箱体的重量会大大增加,造成更多材料的浪费,同时也降低了汽车的总体性能。变速箱是汽车传动系统中的主要部件之一,作用在该系统上的各种激励使得变速箱产生了复杂的振动,其振动必然带来了整车的振动噪声,影响了汽车的整车性能。对变速箱动态特性的仿真与实验研究,可以降低其设计制造的成本,而且为变速箱的减振降噪提供了理论上的依据。因此,对变速箱动态特性的仿真与研究具有十分重要的意义。本论文以模态仿真分析与振动噪声实验测试及其信号处理为中心,并结合某重型汽车变速箱来进行变速箱动态特性的研究。以某重型汽车变速箱作为实验对象,对其箱体进行有限元模态仿真分析;针对变速箱实际状况中的故障机理及其振动特性,设计了振动与噪声的测试系统,对采集到的振动与噪声信号进行PSD分析和传递函数估计分析,并结合了齿轮的啮合频率在PSD分析曲线上的分布情况,来研究变速箱的动态特性。结果证明,模态仿真分析指出了变速箱设计较薄弱的区域,并且为其结构优化设计提供了依据,其对变速箱动态特性的研究具有十分重要的意义;振动与噪声信号的PSD分析和传递函数估计分析是两种研究变速箱动态特性的有效方法。

关键词：变速箱有限元模态仿真振动噪声测试

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PBX模拟材料动态力学响应及细观损伤模式

含能材料 2014年第5期22卷 658-663页

作者：蔡宣明张伟魏刚任鹏黄威哈尔滨工业大学空间碎片高速撞击研究中心黑龙江哈尔滨150080

基于分离式霍普金森压杆（SHPB）装置对高聚物粘结炸药（PBX）模拟材料进行高应变率（1763～2650 s -1）动态压缩实验，采用铅整形器得到正弦入射脉冲。聚偏氟乙烯（PVDF）压力传感器监测试件两端的应力状态，高速相机拍摄试件的变形和... 详细信息

基于分离式霍普金森压杆（SHPB）装置对高聚物粘结炸药（PBX）模拟材料进行高应变率（1763～2650 s -1）动态压缩实验，采用铅整形器得到正弦入射脉冲。聚偏氟乙烯（PVDF）压力传感器监测试件两端的应力状态，高速相机拍摄试件的变形和破坏过程，激光位移计测量试件的轴向应变，采用电子显微镜观测细观结构形貌和损伤模式。结果表明，PBX 模拟材料具有应变率相关性；结合界面脱粘和晶体断裂理论，认为晶粒与粘结剂的分离，晶粒脆性断裂是该 PBX 模拟材料的主要细观损伤模式。

关键词：材料力学力学响应 PBX 模拟材料变形破坏细观损伤

三轴向冲击载荷作用下RDX基PBX炸药损伤模式与表征

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振动与冲击 2019年第5期38卷 86-91页

作者：蔡宣明张伟高玉波范志强中北大学地下目标毁伤技术国防重点学科实验室太原030051 哈尔滨工业大学高速撞击研究中心哈尔滨150080

导弹战斗部在攻击地下目标高速侵彻过程时常因损伤而发生提前起爆,极大削弱了对攻击目标的毁伤作用,甚至影响整个战略局势,针对这一急迫需要解决的问题,进而对导弹战斗部中的RDX基PBX炸药在高g值加载方式下的损伤特性进行研究。基于一... 详细信息

导弹战斗部在攻击地下目标高速侵彻过程时常因损伤而发生提前起爆,极大削弱了对攻击目标的毁伤作用,甚至影响整个战略局势,针对这一急迫需要解决的问题,进而对导弹战斗部中的RDX基PBX炸药在高g值加载方式下的损伤特性进行研究。基于一级轻气炮对PBX炸药试件在三轴向冲击加载方式下的损伤特性进行了一系列的实验研究,结合数值模拟、Griffith晶体颗粒细观裂纹断裂强度和扫描电子显微镜(SEM),对PBX炸药试件损伤模式进行研究和表征,并探索实验后的试件密度与冲击载荷之间的量化关系。结果表明,晶体颗粒表面与黏结剂之间的剪切强度约为0.6 Mpa,因此,在较小冲击载荷作用下就已发生剪切脱黏现象,随着三轴向冲击载荷压力的增大,逐渐出现晶体颗粒孪晶带,颗粒破碎和融化细观损伤模式;实验后的试件密度与冲击载荷压力之间修正的玻尔兹曼关系与实验结果基本相符;Griffith晶体颗粒细观裂纹断裂强度预测结果与SEM测试分析结果基本吻合,可为该PBX炸药细观损伤机理研究提供重要依据。

关键词：冲击 PBX炸药细观损伤数值模拟

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冲击载荷作用下导弹战斗部装药起爆特性研究

振动与冲击 2019年第11期38卷 37-41,87页

作者：蔡宣明张伟高玉波范志强中北大学地下目标毁伤技术国防重点学科实验室太原030051 哈尔滨工业大学高速撞击研究中心哈尔滨150080

针对远程导弹在攻击地下目标过程当中时常发生对战斗部PBX炸药装药起爆毁伤效应估计不足情况,进而对导弹战斗部PBX炸药装药在高过载冲击载荷作用下的起爆响应特性进行研究。基于二级轻气炮,对导弹战斗部PBX炸药装药跨声速冲击载荷起爆... 详细信息

针对远程导弹在攻击地下目标过程当中时常发生对战斗部PBX炸药装药起爆毁伤效应估计不足情况,进而对导弹战斗部PBX炸药装药在高过载冲击载荷作用下的起爆响应特性进行研究。基于二级轻气炮,对导弹战斗部PBX炸药装药跨声速冲击载荷起爆特性进行一系列试验研究,结合试验结果、数值模拟、以及相关理论分析,探索能量释放行为与冲击载荷之间的相互关联,并建立相互影响机制模型。结果表明,PBX炸药装药的临界起爆压力为5. 34 GPa,完全起爆压力为12.39 GPa;建立的能量释放量和相对反应率与冲击载荷之间的相互关系与试验数据基本吻合,研究结果可为国防防御技术研究提供一定的参考价值。

关键词：冲击起爆战斗部装药数值模拟

冲击载荷作用下武器战斗部装药Grüneisen物态方程

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振动与冲击 2019年第12期38卷 105-111页

作者：蔡宣明张伟徐鹏高玉波范志强中北大学理学院太原030051 哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150080

针对武器战斗部装药(PBX炸药)在高过载作用下出现提前起爆现象,进而对其在平面正冲击波作用下的物态方程形式进行了研究。基于平面正冲击波关系式及雨贡纽曲线,应用冲击波速度与粒子速度的相互关系,采用"对称碰撞"实验方式进而对不同密... 详细信息

针对武器战斗部装药(PBX炸药)在高过载作用下出现提前起爆现象,进而对其在平面正冲击波作用下的物态方程形式进行了研究。基于平面正冲击波关系式及雨贡纽曲线,应用冲击波速度与粒子速度的相互关系,采用"对称碰撞"实验方式进而对不同密度PBX炸药在不同冲击波阵面后的物态方程进行了研究。获得了不同密度PBX炸药的冲击因子及声速;给出了Grüneisen物态方程的相关参量,为预测PBX炸药在更大冲击波阵面后的内部压强、密度、能量状态提供了重要的依据;揭示了Grüneisen系数Γ与体应变ξ呈高度线性关系。

关键词：冲击载荷武器战斗部装药粒子速度冲击波

一维应力动态加载下战斗部装药力学响应预报模型

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兵工学报 2019年第4期40卷 762-768页

作者：蔡宣明张伟徐鹏高玉波范志强中北大学理学院山西太原030051 哈尔滨工业大学高速撞击研究中心黑龙江哈尔滨150080

为获得战斗部装药在高过载侵彻下的动力学行为,对战斗部装药(黑索今(RDX)基高聚物粘结炸药(PBX))在高应变率下的动态力学响应特性进行了研究。采用改进的分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术对RDX基PBX炸药动态力学性能展开研究、压电传... 详细信息

为获得战斗部装药在高过载侵彻下的动力学行为,对战斗部装药(黑索今(RDX)基高聚物粘结炸药(PBX))在高应变率下的动态力学响应特性进行了研究。采用改进的分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术对RDX基PBX炸药动态力学性能展开研究、压电传感器监测试件两端应力状态、高速相机拍摄实验中的试件变形过程,确保实验试件变形在动态应力平衡和常应变率加载条件下进行,保证实验数据的有效性。结果表明,该RDX基PBX炸药具有明显的密度效应及应变率效应,当应变超越0. 075时应变率效应显著增强。基于应变能函数,建立该RDX基PBX炸药在一维应力状态下修正的Rivilin本构模型,模型拟合结果与实验结果基本相符,仿真结果得到的应变时间信号及试件变形模式与实验结果基本吻合。

关键词：战斗部装药力学响应应变率效应一维应力动态加载数值模拟

Taylor冲击载荷作用下PBX炸药细观损伤模式及机理研究

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振动与冲击 2019年第7期38卷 9-14页

作者：蔡宣明张伟徐鹏高玉波范志强中北大学国防重点学科实验室太原030051 哈尔滨工业大学高速撞击研究中心哈尔滨150080

空对地钻地弹在高速侵彻过程中,装药部的提前起爆严重影响到对攻击目标的毁伤作用,针对这个急迫需要解决的问题,对装药部(PBX炸药)在高g值载荷作用下的细观损伤模式及机理进行研究。基于一级轻气炮,应用激光测速系统监测实验试件击靶速... 详细信息

空对地钻地弹在高速侵彻过程中,装药部的提前起爆严重影响到对攻击目标的毁伤作用,针对这个急迫需要解决的问题,对装药部(PBX炸药)在高g值载荷作用下的细观损伤模式及机理进行研究。基于一级轻气炮,应用激光测速系统监测实验试件击靶速度,由压电传感器采集实验试件应力状态,进而通过Taylor冲击加载方式对PBX炸药损伤形式进行实验研究。基于细观损伤理论,结合扫描电子显微镜(SEM)对其损伤模式进行分析,结果表明,在较小冲击载荷作用下,晶体颗粒表面与粘结剂之间的剪切脱粘细观损伤模式最先发生;随着冲击载荷能量的增加,产生了细观损伤裂纹,并不断沿应力薄弱路径急剧传播,且萌生新的损伤裂纹,裂纹传播错综复杂,进而导致颗粒破碎,发生穿晶断裂、粘结剂劈裂等细观损伤模式,从而导致该PBX炸药宏观损伤裂纹的出现。PBX炸药细观损伤理论对该PBX炸药细观损伤模式的预测结果与实验分析结果基本相符,该细观损伤理论为其细观损伤机理研究提供了重要依据。

关键词：冲击载荷 PBX炸药变形破坏细观损伤