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仿生柔性防护装具的设计及防弹性能测试

复合材料学报 2020年第6期37卷 1411-1417页

作者：朱德举赵波湖南大学土木工程学院绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室长沙410082

依据仿生学原理,借鉴硬骨鱼鳞的微观结构及叠加模式,设计并制备了6套仿生柔性防护装具。使用了两种复合鳞片,分别为SiC陶瓷-超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合防护鳞片和Al2O3陶瓷-UHMWPE复合防护鳞片。对柔性防护装具进行侵彻测试,分析了... 详细信息

依据仿生学原理,借鉴硬骨鱼鳞的微观结构及叠加模式,设计并制备了6套仿生柔性防护装具。使用了两种复合鳞片,分别为SiC陶瓷-超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合防护鳞片和Al2O3陶瓷-UHMWPE复合防护鳞片。对柔性防护装具进行侵彻测试,分析了复合鳞片类型、覆盖角度和子弹侵彻位置对柔性鳞片防护装具防弹性能的影响。结果表明,新型柔性鳞片状防护装具均能成功抵挡速度为(445±10) m/s的手枪弹(铅芯)侵彻,垫层材料的凹陷深度为5~20 mm。SiC-UHMWPE复合鳞片防护装具的防弹性能显著优于Al2O3-UHMWPE复合鳞片防护装具。此外,柔性防护装具的防弹性能均随着鳞片覆盖率的增加而提高。本研究成果为新型柔性防护装具的设计提供理论依据和科学指导。

关键词：仿生柔性防护装具复合鳞片覆盖角度防弹性能超高分子量聚乙烯(UHMWPE) SiC陶瓷

SiC-超高分子量聚乙烯仿生柔性叠层结构防弹性能关键影响因素的仿真与试验

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复合材料学报 2020年第11期37卷 2928-2940页

作者：朱德举彭恋湖南大学土木工程学院绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室长沙410082

基于仿生学原理构建一种鱼鳞状的柔性叠层防护装具,仿生鳞片为中间厚边缘薄的双层复合结构,上下层分别为SiC陶瓷和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。采用ANSYS LS-DYNA软件的显式分析方法模拟了SiC-UHMWPE柔性叠层结构的防弹性能,主要从装具... 详细信息

基于仿生学原理构建一种鱼鳞状的柔性叠层防护装具,仿生鳞片为中间厚边缘薄的双层复合结构,上下层分别为SiC陶瓷和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。采用ANSYS LS-DYNA软件的显式分析方法模拟了SiC-UHMWPE柔性叠层结构的防弹性能,主要从装具变形量、应力传递规律、能量耗散机制和子弹残余速度展开分析,重点研究了支撑点数量、曲率半径及覆盖角对防护性能的影响。鳞片单排与多排排列时背面垫料的凹陷深度仿真结果分别为32.52 mm和24.73 mm。本文依据NIJ标准Ⅲ级要求对柔性防护装具进行实弹测试。结果表明,试件在多发子弹侵彻后,出现局部两点支撑的不利情形。该成果将对新型柔性防护装具的设计和制备具有重要意义。

关键词：柔性叠层结构防弹性能复合鳞片超高分子量聚乙烯有限元仿真

低次数疲劳加载下短切钢纤维对碳纤维织物增强混凝土力学性能的影响

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复合材料学报 2023年第11期40卷 6260-6274页

作者：朱德举唐昊湖南大学土木工程学院绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室长沙410082

为了研究低次数疲劳加载下短切钢纤维对碳纤维织物增强混凝土(C-TRC)力学性能的影响,通过万能试验机对不同短切钢纤维掺量(0vol%、0.5vol%、1.0vol%)的试件进行低次数疲劳加载实验和疲劳加载前后的准静态拉伸试验,并结合数字图像相关分... 详细信息

为了研究低次数疲劳加载下短切钢纤维对碳纤维织物增强混凝土(C-TRC)力学性能的影响,通过万能试验机对不同短切钢纤维掺量(0vol%、0.5vol%、1.0vol%)的试件进行低次数疲劳加载实验和疲劳加载前后的准静态拉伸试验,并结合数字图像相关分析得到拉伸状态下裂纹与应变分布。结果表明:添加短切钢纤维能够增大C-TRC的拉伸强度、杨氏模量和韧性,降低试件的能量耗散及剩余累积应变,增加裂纹条数和裂纹宽度。疲劳荷载能够降低C-TRC的刚度、极限强度、峰值应变及韧性,加快C-TRC的破坏。添加短切纤维能够降低疲劳加载造成的性能损耗,且0.5vol%掺量的增强效果最佳。基于现有的剩余强度-剩余刚度关联模型和实验数据,改进了强度退化模型,对实验数据进行拟合并与现有模型进行对比,其结果与实验数据吻合更好。该成果对于织物增强混凝土(TRC)疲劳性能的评价具有指导意义。

关键词：碳纤维织物短切钢纤维拉伸试验疲劳加载织物增强混凝土

仿犰狳鳞片结构的躯干柔性防护装具抗穿甲燃烧弹侵彻性能

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湖南大学学报（自然科学版） 2023年第12期50卷 147-154页

作者：朱德举王丹湖南大学土木工程学院湖南长沙410082 绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室(湖南大学) 湖南长沙410082 山东天意高科技有限公司山东济宁272000

根据犰狳外骨皮盔甲的结构形态,设计了由SiC陶瓷和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)构成的双层结构的仿生复合鳞片和新型柔性防护装具.该柔性防护装具由上层鳞片层与下层垫层组成,其中鳞片层由周期性排列复合鳞片构成,垫层为UHMWPE纤维层.采用M... 详细信息

根据犰狳外骨皮盔甲的结构形态,设计了由SiC陶瓷和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)构成的双层结构的仿生复合鳞片和新型柔性防护装具.该柔性防护装具由上层鳞片层与下层垫层组成,其中鳞片层由周期性排列复合鳞片构成,垫层为UHMWPE纤维层.采用MTS C43电子式万能试验机对防护装具进行了柔性测试,并依据《军用防弹衣安全技术性能要求》(GJB 4300A―2012)标准Ⅲ级弹道防护性能要求对其进行了弹道测试.分析了复合鳞片的厚度比、垫层数量、穿甲燃烧弹侵彻区域等因素对防护装具防护性能的影响,以及防护装具在集中荷载作用下刚度的变化过程.结果表明:该新型柔性防护装具具备良好的防护性能,不同侵彻区域对破坏范围具有显著影响;在集中荷载作用下垫层限制了鳞片层的弯曲变形,降低了整体柔性.

关键词：仿生复合鳞片柔性弹道测试侵彻

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应变速率和温度对单束BFRP力学性能的影响

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建筑材料学报 2016年第3期19卷 491-495,538页

作者：朱德举欧云福湖南大学土木工程学院湖南长沙410082

利用MTS万能试验机和Instron落锤冲击系统分别研究了单束玄武岩纤维增强复合材料(单束BFRP)在室温(25℃)下的准静态(应变速率为(1/600)s^(-1))力学性能及不同温度(-25,0,25,50,75,100℃)、应变速率(40,80,120,160s^(-1))下的力学性能.... 详细信息

利用MTS万能试验机和Instron落锤冲击系统分别研究了单束玄武岩纤维增强复合材料(单束BFRP)在室温(25℃)下的准静态(应变速率为(1/600)s^(-1))力学性能及不同温度(-25,0,25,50,75,100℃)、应变速率(40,80,120,160s^(-1))下的力学性能.结果表明:单束BFRP的拉伸力学性能与应变速率、温度具有相关性.在室温下,随着应变速率的增加,单束BFRP的弹性模量、破坏强度、峰值应变、最大应变和韧性均有不同程度的增大;在相同的应变速率(40s^(-1))下,随着温度的升高,弹性模量、破坏应力和冲击韧性先增大后减小,峰值应变和最大应变先减小后增大.

关键词：玄武岩纤维增强复合材料(BFRP) 应变速率温度拉伸性能

标距和应变率对Kevlar 49单束拉伸力学性能的影响

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复合材料学报 2016年第2期33卷 225-233页

作者：朱德举欧云福湖南大学土木工程学院长沙410082

为探究Kevlar 49单束的尺寸效应及应变率敏感性,首先,利用MTS万能试验机对不同标距（25、50、100、150、200和300mm）的Kevlar 49单束进行了准静态（应变率为1/600s^-1）拉伸测试;然后,利用Instron落锤冲击系统对标距为25mm的试样进行... 详细信息

为探究Kevlar 49单束的尺寸效应及应变率敏感性,首先,利用MTS万能试验机对不同标距（25、50、100、150、200和300mm）的Kevlar 49单束进行了准静态（应变率为1/600s^-1）拉伸测试;然后,利用Instron落锤冲击系统对标距为25mm的试样进行了动态（应变率为40-160s^-1）拉伸测试;最后,利用Weibull模型进行统计分析,量化了不同标距和应变率下Kevlar 49单束拉伸强度的随机变化程度。结果表明：Kevlar 49单束的拉伸力学性能与标距和应变率有相关性;拉伸强度随标距的增加而减小,但随应变率的增加而增大;峰值应变和韧性均随标距和应变率的增加而减小;提取的Weibull参数可用于数值模拟及工程应用。

关键词： Kevlar 49 拉伸力学性能标距应变率 Weibull

基于犰狳外壳仿生的SiC-超高分子量聚乙烯柔性防护板的试验测试和有限元模拟

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复合材料学报 2020年第10期37卷 2561-2571页

作者：朱德举汤兴湖南大学土木工程学院绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室长沙410082

个体防护装甲的发展对提高单兵作战能力具有重要意义,基于仿生研究可以为设计高性能装甲提供新的思路。犰狳外壳由六边形鳞片紧密拼接而成,采用分层结构设计,具有很好的柔性和防护能力。本文借鉴犰狳外壳的几何排列模式,采用SiC陶瓷片... 详细信息

个体防护装甲的发展对提高单兵作战能力具有重要意义,基于仿生研究可以为设计高性能装甲提供新的思路。犰狳外壳由六边形鳞片紧密拼接而成,采用分层结构设计,具有很好的柔性和防护能力。本文借鉴犰狳外壳的几何排列模式,采用SiC陶瓷片模仿硬质壳层,超高分子量聚乙烯(UHMWPE)热压板模仿软质壳层,按1∶1厚度比例设计制备仿生复合鳞片,将仿生鳞片紧密排列后封装制成一种新型柔性复合防弹插板。为了验证该种防弹插板的防弹性能并研究其破坏特征,进行弹道极限V0试验测试,结合有限元模拟分析其抗7.62 mm手枪弹侵彻的能力。结果表明:该柔性防弹插板不仅满足防弹性能要求,且具备较好的柔性,可为今后新型防弹插板的设计和优化提供参考。

关键词：防护装甲复合鳞片柔性防弹插板弹道测试有限元模拟

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黄麻纤维束力学性能的尺寸和应变率效应

复合材料学报 2017年第2期34卷 446-455页

作者：朱德举火兴斐湖南大学土木工程学院长沙410082

为了探究黄麻纤维束的尺寸效应和应变率敏感性,利用C43电子式万能试验机和CEAST 9340落锤试验冲击系统分别在静动载条件下对黄麻纤维束进行测试,获得了杨氏模量、强度、峰值应变和韧性随标距和应变率的变化关系静载试验在1/600s-1应变... 详细信息

为了探究黄麻纤维束的尺寸效应和应变率敏感性,利用C43电子式万能试验机和CEAST 9340落锤试验冲击系统分别在静动载条件下对黄麻纤维束进行测试,获得了杨氏模量、强度、峰值应变和韧性随标距和应变率的变化关系静载试验在1/600s-1应变率条件下进行,测试了6组不同标距(25、50、100、150、200和300mm)的试件;动载试验以应变率为变量,在4组不同的应变率(40、80、120和160s-1)条件下进行了测试,试件标距均为25mm。测试结果表明:随着试件标距增大,杨氏模量初始增大,当标距大于100mm时趋于稳定;强度、峰值应变和韧性均减小。随着应变率增大,杨氏模量和强度均增大;峰值应变初始减小后趋于稳定;韧性先减小后增大。鉴于植物纤维束材料较大的性能离散性,采用Weibull分布对试验数据进行拟合,获得了黄麻纤维束强度在不同试验条件(标距和应变率)下的分布规律。

关键词：黄麻标距应变率拉伸性能 Weibull分布

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玄武岩纤维复材筋海水海砂混凝土梁抗剪性能

铁道科学与工程学报 2023年第9期20卷 3396-3405页

作者：周锐朱德举湖南大学土木工程学院湖南长沙410082 绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室(湖南大学) 湖南长沙410082

为了解决沿海城市和岛礁建设中河砂淡水资源短缺、建筑材料运输成本高以及钢筋混凝土结构耐久性不足的问题,同时推动海水海砂资源的有效利用以及深入研究纤维复材筋增强构件的工作性能,开展玄武岩纤维复材筋海水海砂混凝土(BFRP-SSC)梁... 详细信息

为了解决沿海城市和岛礁建设中河砂淡水资源短缺、建筑材料运输成本高以及钢筋混凝土结构耐久性不足的问题,同时推动海水海砂资源的有效利用以及深入研究纤维复材筋增强构件的工作性能,开展玄武岩纤维复材筋海水海砂混凝土(BFRP-SSC)梁的抗剪性能研究。采用三点弯曲试验,通过对梁的破坏形式、荷载−挠度关系和抗剪承载力展开讨论,研究剪跨比(剪跨为400,500和600 mm)、养护环境(自然环境和海水浸泡环境)和混凝土碱度(普通SSC和低碱SSC)对梁抗剪性能的影响,并通过拟合试验数据修正了规范的抗剪承载力公式。研究结果表明:剪跨比对BFRP-SSC梁抗剪承载力有显著影响,剪跨比越小的试件其破坏程度越严重;随着剪跨比的增大,BFRP-SSC梁的开裂荷载、极限荷载逐渐减小,极限挠度逐渐增大。在55℃人工海水环境中浸泡60 d后,普通SSC试件的裂缝减少,抗剪承载力下降了33.13%,BFRP箍筋纤维-树脂界面分离;低碱SSC试件的抗剪承载力提高了21.65%,其BFRP箍筋几乎没有降解行为。由于FRP筋混凝土现有设计规范没有考虑剪跨比的影响,理论预测与试验结果相差60%以上;引入与剪跨比相关的参数修正规范公式,修正的公式预测值与试验结果吻合良好。研究结果可以为BFRP-SSC梁的设计和应用提供数据支撑和理论依据。

关键词： BFRP 抗剪承载力剪跨比低碱海水海砂混凝土

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