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高压物理学报 2020年第2期34卷 73-79页

作者：吴和成肖毅华华东交通大学机电与车辆工程学院江西南昌330013

建立了陶瓷梁受平头弹撞击的有限元模型,模拟了其冲击损伤演化过程,模拟结果与实验结果吻合较好,验证了模型的合理性。在此基础上,建立了仿珍珠母陶瓷/聚脲复合梁受相同弹体撞击的有限元模型,将其损伤演化过程与陶瓷梁进行了对比,并且... 详细信息

建立了陶瓷梁受平头弹撞击的有限元模型,模拟了其冲击损伤演化过程,模拟结果与实验结果吻合较好,验证了模型的合理性。在此基础上,建立了仿珍珠母陶瓷/聚脲复合梁受相同弹体撞击的有限元模型,将其损伤演化过程与陶瓷梁进行了对比,并且分析了弹体撞击速度对两者损伤过程的影响。结果表明:在高速撞击下,陶瓷梁的损伤呈锥状扩展,梁发生整体性破坏,而仿珍珠母复合梁的损伤沿纵向(冲击方向)呈圆柱状扩展,梁发生局部性破坏,能更好地保持结构完整性;随着弹体撞击速度的增加,陶瓷梁的损伤范围加大,损伤程度加剧,而仿珍珠母复合梁的损伤范围在撞击速度高于一定值后变化不大,仅损伤程度增加。

关键词：冲击陶瓷仿珍珠母聚脲损伤演化

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仿珍珠母陶瓷/聚脲复合板高速冲击性能的数值模拟与试验研究

仿珍珠母陶瓷/聚脲复合板高速冲击性能的数值模拟与试验研究

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作者：洪祥富华东交通大学

学位级别：硕士

为抵御捕食者的伤害和适应复杂多变的环境,自然界中的大量生物进化出了具备高强度、高韧性以及良好耗能机制的生物结构。其中,贝壳中的珍珠母就具备一种良好抗冲击性能的生物结构。它是一种由脆性文石片和软有机质组成的复合材料,在微... 详细信息

为抵御捕食者的伤害和适应复杂多变的环境,自然界中的大量生物进化出了具备高强度、高韧性以及良好耗能机制的生物结构。其中,贝壳中的珍珠母就具备一种良好抗冲击性能的生物结构。它是一种由脆性文石片和软有机质组成的复合材料,在微观尺度上具有复杂的多级结构。本文通过模拟珍珠母“砖-泥”式的微观结构,以具有高强度、高硬度、低密度以及化学惰性的氧化铝陶瓷替代文石片,以具有高韧性、低密度、耐磨和耐腐蚀的聚脲替代软有机质,设计了仿珍珠母陶瓷/聚脲复合板。文中基于数值模拟方法研究了靶板结构参数和弹体参数对仿珍珠母陶瓷/聚脲复合板抗弹体冲击性能的影响;同时,制备了仿珍珠母陶瓷/聚脲复合板,采用一级轻气炮作为加载设备,开展了仿珍珠母陶瓷/聚脲复合板的高速冲击试验,研究了仿珍珠母复合板的高速冲击力学行为。本文的主要工作具体如下:首先,建立总体尺寸相同、内部结构参数不同的仿珍珠母陶瓷/聚脲复合板,基于SPH方法对其受平头弹高速冲击的过程进行数值模拟,分析了聚脲厚度、陶瓷片大小和层数对仿珍珠母复合板在不同冲击速度下抗冲击能力的影响,并将复合板与纯陶瓷板的抗冲击性能进行了对比。结果表明:在不同冲击速度下,聚脲厚度、陶瓷片大小、层数对复合板抗冲击能力的影响呈现不同的规律;总体上,聚脲厚度和层数比陶瓷片大小对复合板抗冲击能力的影响更显著;当冲击速度较低时,复合板的抗冲击能力均优于纯陶瓷板,当冲击速度较高时,纯陶瓷板的抗冲击能力可能优于某些结构参数的复合板;从提高仿珍珠母复合板的弹道极限速度来看,在本文研究的参数范围内,聚脲厚度越大越好,层数越多越好,而陶瓷片尺寸则越小越好。同时,分析了陶瓷片形状的影响,对比了单片陶瓷片为四边形和六边形的仿珍珠母复合板的抗冲击性能。分析结果表明:当聚脲厚度较小时,六边形复合板抗冲击性能更好;当聚脲厚度较大时,两者的抗冲击性能差异与冲击速度有关。另外,还讨论了聚脲材料的延性对仿珍珠母复合板抗冲击性能的影响。研究结果表明:聚脲材料的延性对仿珍珠母复合板的抗冲击性能有较明显的影响,并且在弹体冲击速度较低时的影响更大。然后,针对给定的仿珍珠母陶瓷/聚脲复合板,基于SPH方法对四种相同质量、不同形状的弹体正侵彻仿珍珠母复合板的过程进行数值模拟,研究了弹体形状对仿珍珠母复合板抗冲击性能的影响,预测了复合板在不同形状弹体正侵彻下的弹道极限速度。模拟结果表明:圆头弹侵彻复合板的弹道极限速度最大,然后由大到小依次为卵头弹、球形弹、平头弹;球形弹冲击引起的复合板的损伤区域最大,卵头弹冲击引起的损伤区域最小;四种形状的弹体冲击引起的复合板背面鼓包直径基本一致,鼓包的区域局限在冲击点对应的陶瓷片及其相邻的陶瓷片内;在平头弹、圆头弹和卵头弹冲击下,复合板背部的损伤区域呈锥形分布,而在球头弹冲击下这种锥形分布的特征不明显。进一步基于SPH方法对不同形状的弹体斜侵彻仿珍珠母复合板的过程进行了数值模拟,研究了弹体倾角对复合板抗冲击性能的影响,分析了弹体的剩余速度变化和跳弹角度。数值模拟结果表明:不同形状弹体的剩余速度均随着弹体入射角的增大而减小,且下降速率逐渐增大;在冲击速度为903.9 m/s时,弹体跳飞的临界角度在70°至75°之间。最后,以96氧化铝陶瓷和SWD 9526聚脲为试验材料,制备了仿珍珠母陶瓷/聚脲复合板试样。采用一级轻气炮系统作为加载设备,通过高速摄像机记录弹体冲击靶板过程,开展了仿珍珠母复合板的高速冲击试验,研究了仿珍珠母复合板的高速冲击力学行为,并与相近面密度的纯陶瓷板进行了对比。结果表明:仿珍珠母复合板在弹体高速冲击下整体结构保持完好,损伤区域直径小于弹体直径的3.5倍,而纯陶瓷板出现整体损伤,其中心区域出现粉碎性破坏,产生直径大于7倍弹体直径的孔洞,这表明仿珍珠母复合板在抗弹体多点冲击方面比纯陶瓷板有优势;试验测得弹体以343.9 m/s侵彻仿珍珠母复合板的剩余速度为227.7 m/s,而弹体以310.4 m/s侵彻纯陶瓷板的剩余速度为157.5 m/s,这说明本文制得的仿珍珠母复合板在抗侵彻能力方面较纯陶瓷板偏低,因此,仍需从聚脲材料选择、复合板结构参数以及制备工艺等方面进一步优化,在保持损伤小的优势下提高抗侵彻能力。目前,关于仿珍珠母陶瓷复合结构的高速冲击试验很少有公开报道,文中得到的试验数据可以为后续相关研究提供重要参考。

关键词：仿珍珠母陶瓷聚脲高速冲击

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仿珍珠母陶瓷/聚脲复合板的低速冲击性能研究

仿珍珠母陶瓷/聚脲复合板的低速冲击性能研究

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作者：唐自强华东交通大学

学位级别：硕士

贝壳珍珠母中独特的“砖-泥”式微观结构使其具备了优异的强度和韧性。模仿珍珠母的微观结构,设计仿生复合结构,可以为新型高性能冲击防护结构的开发提供新的途径。本文以陶瓷和聚脲为组分材料,借鉴珍珠母的“砖-泥”式微观结构,设计和... 详细信息

贝壳珍珠母中独特的“砖-泥”式微观结构使其具备了优异的强度和韧性。模仿珍珠母的微观结构,设计仿生复合结构,可以为新型高性能冲击防护结构的开发提供新的途径。本文以陶瓷和聚脲为组分材料,借鉴珍珠母的“砖-泥”式微观结构,设计和制备仿珍珠母陶瓷/聚脲复合板,研究其在低速冲击下的损伤和吸能特性。文中首先通过低速冲击试验研究了仿珍珠母陶瓷/聚脲复合板的低速冲击损伤特性,并探讨了结构参数对仿珍珠母陶瓷/聚脲复合板低速冲击损伤特性的影响;然后,为建立准确的数值计算模型,开展了陶瓷和聚脲材料的力学性能研究,提出有效的方法,得到了准确的陶瓷和聚脲材料的力学性能参数;最后,基于数值模拟分析了低速冲击下陶瓷/聚脲复合板的应力传播规律以加深对仿珍珠母陶瓷/聚脲复合板损伤特性和机理的理解。具体包括如下工作:(1)“砖-泥”式结构的仿珍珠母复合板可视为分块式复合板交错层叠而成。为研究其低速冲击损伤特性和机理,设计并制备了陶瓷/聚脲层叠复合板、分块复合板和仿珍珠母复合板,开展了三种复合板的落球冲击试验,分析了其损伤特性。通过不同跌落高度的落球冲击试验发现:相比于纯陶瓷板,以2 mm厚陶瓷板为基体,表面涂覆聚脲的层叠复合板具有更优的抗低速冲击性能。由于表层聚脲的缓冲作用,层叠复合板在面密度仅增加约9%的情况下,其临界破坏能量可达到纯陶瓷板的2倍左右。通过分块复合板的多次重复落球冲击试验发现:由于陶瓷片间聚脲的缓冲作用,分块复合板能够有效地限制裂纹沿面内拓展,使损伤局限在冲击位置的陶瓷片及其相邻陶瓷片中,损伤区域小,并在多次冲击下能保持结构的完整性。在给定能量的落球冲击下,仿珍珠母复合板正面和背面的损伤都很小,且结构完整,并在6次冲击后损伤仍然较小,而相近尺寸的纯陶瓷板在一次相同能量的冲击下即完全破碎。仿珍珠母复合板具有比纯陶瓷板更好的抗低速冲击性能以及抗多次冲击能力,这主要得益于其内部各层间聚脲和单层内陶瓷片间聚脲的缓冲作用,使得裂纹沿仿珍珠母复合板面内和厚度方向的扩展受到阻碍。(2)制备了总体尺寸相近、陶瓷片厚度不同的仿珍珠母陶瓷/聚脲复合板,对其进行了落锤冲击试验,获得了冲击过程中的接触力、复合板的吸收能量和变形,分析了陶瓷片厚度对复合板低速冲击响应的影响,并将复合板与相近似尺寸的纯陶瓷板进行了对比。试验结果表明:在5 J的能量冲击下,纯陶瓷板发生整体性破碎,吸收了1.07 J的冲击能量。三种仿珍珠母复合板仅发生局部破坏,冲击能量基本全被吸收。从损伤程度和吸能效率可以看出,仿珍珠母复合板比纯陶瓷板具备更优的抗冲击性能,这是因为仿珍珠母复合板裂纹沿面向和厚度方向不断发生偏转,有效的耗散了冲击能量,降低了复合板的损伤程度,保持了较好的结构完整性。由1 mm、2 mm和3 mm厚陶瓷片制备的仿珍珠母复合板(N-1、N-2、N-3)损伤程度呈现N-2

关键词：仿珍珠母低速冲击陶瓷聚脲

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仿珍珠母复合材料滤波性能的混杂结构设计

仿珍珠母复合材料滤波性能的混杂结构设计

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北京力学会第二十九届学术年会

作者：张航源刘俊杰北京工业大学材料与制造学部

经过数十亿年的进化和自然选择,生物材料逐渐实现了其结构和整体力学性能的统一,表现出优异的综合力学性能。仿珍珠母复合材料在表现出很高的刚度和强度的同时,其韧性是其组分材料的上千倍。本文主要通过动剪滞模型研究仿珍珠母复合材... 详细信息

经过数十亿年的进化和自然选择,生物材料逐渐实现了其结构和整体力学性能的统一,表现出优异的综合力学性能。仿珍珠母复合材料在表现出很高的刚度和强度的同时,其韧性是其组分材料的上千倍。本文主要通过动剪滞模型研究仿珍珠母复合材料其纤维的混杂程度对波的过滤效果,对其结果进行讨论分析,得出材料的增强相的混杂设计对线弹性基体可有效降低第一禁带频率,并展宽第一禁带,而对于粘弹性基体,增强相的混杂设计对高频波的过滤效果更显著。

关键词：仿珍珠母动剪滞模型异质性

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二维梯度互锁仿珍珠母复合材料裂纹扩展行为研究

二维梯度互锁仿珍珠母复合材料裂纹扩展行为研究

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北京力学会第30届学术年会

作者：夏僮崔少康杨振宇北京航空航天大学航空科学与工程学院固体力学所

本文结合互锁结构和梯度设计,提出了一种具有梯度互锁结构的二维仿珍珠母复合材料,并利用实验和数值模拟方法研究了周期互锁和梯度互锁仿珍珠母复合材料中的裂纹起始和扩展行为。采用3D打印技术制造了具有预制裂纹的仿珍珠母复合材料试... 详细信息

本文结合互锁结构和梯度设计,提出了一种具有梯度互锁结构的二维仿珍珠母复合材料,并利用实验和数值模拟方法研究了周期互锁和梯度互锁仿珍珠母复合材料中的裂纹起始和扩展行为。采用3D打印技术制造了具有预制裂纹的仿珍珠母复合材料试样,并通过单轴拉伸试验以探索其裂纹扩展行为。对于周期互锁结构仿珍珠母复合材料,当其自锁角度小于临界角度时,观察到了包含非局部化裂纹、片层滑移、裂纹桥接、裂纹偏转和片层拔出等多种强韧化机制,而在大自锁角度仿生复合材料中采用结构梯度设计产生了裂纹阻止效果,有效地防止灾难性破坏的发生。采用相场法,数值模拟梯度互锁仿珍珠母复合材料的裂纹扩展行为,系统性研究了结构梯度设计对仿珍珠母复合材料裂纹扩展行为的影响。

关键词：互锁结构梯度设计仿珍珠母复合材料 3D打印相场法

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陶瓷/聚脲复合结构抗冲击性能的数值模拟研究

陶瓷/聚脲复合结构抗冲击性能的数值模拟研究

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作者：吴和成华东交通大学

学位级别：硕士

冲击防护材料广泛应用于车辆、舰船和人体装甲上。性能优异的冲击防护材料不仅应质量轻,而且需具备良好的综合力学性能。传统的均质材料难以同时满足上述要求,因而复合材料和结构得到广泛研究。陶瓷具有低密度、高硬度和高强度等特点,... 详细信息

冲击防护材料广泛应用于车辆、舰船和人体装甲上。性能优异的冲击防护材料不仅应质量轻,而且需具备良好的综合力学性能。传统的均质材料难以同时满足上述要求,因而复合材料和结构得到广泛研究。陶瓷具有低密度、高硬度和高强度等特点,是常用的冲击防护材料,常用于坦克和军用飞机等防护装甲,但其高脆性严重制约了它更广泛的应用。聚脲具有低密度、高韧性、耐磨和耐冲击等特点,与金属和非金属都具有良好的粘结力,其在抗冲击和抗爆结构中的应用在近年来受到关注。复合应用陶瓷与聚脲,充分发挥两者的性能特点,将为设计和制备高性能防护结构提供新的可行途径。本文基于数值模拟开展陶瓷/聚脲复合结构的抗冲击性能研究,先探讨了陶瓷及其复合结构抗冲击性能模拟中存在的问题,确定合适的模拟方案和参数;然后,系统地分析了不同陶瓷/聚脲复合结构的抗冲击性能,得到了结构型式、参数和冲击条件等对其抗冲击性能的影响规律,将为陶瓷/聚脲复合结构的设计提供指导。具体而言,包括如下工作:首先,针对平头钨合金弹高速冲击陶瓷板试验,采用光滑粒子流体动力学(SPH)法进行模拟,通过试验结果对模拟结果进行了验证。对比分析了SPH法和其它方法模拟结果的优劣,开展了SPH模拟中接触处理方法、人工粘度和光滑长度等参数的影响研究。结果表明:SPH模拟能再现冲击过程中弹体头部的镦粗、靶板正面的喷射和背面的鼓包运动等现象,模拟得到的弹靶变形特征定性上与试验中观察的结果一致;同时,采用合适的参数,SPH模拟能较好地预测弹体的剩余速度和剩余质量,预测结果总体上优于已有的其它方法。通过对比罚接触法(PCM)和粒子近似法(PAM)两种弹靶接触处理方法发现:两者的模拟结果差别不大,而PAM不涉及参数选择,采用其模拟陶瓷的高速冲击问题更方便。人工粘度的影响研究表明:一次人工粘度系数(Q)对弹体剩余速度影响较大,剩余速度随Q增大而减小。此外,研究发现:与有限元法(FEM)一样,SPH的模拟结果表现出对粒子间距的敏感性,可以通过采用相同的光滑长度和等效的人工粘度的方法来显著减小粒子间距敏感性。上述研究表明SPH在模拟弹体高速冲击陶瓷中具有一定的优势,但需要注意合理地建立模型和确定相关的参数,这为SPH在陶瓷/聚脲复合结构抗冲击性能模拟中的应用奠定了基础。然后,采用SPH和有限元法(FEM)耦合模拟技术,研究了陶瓷/聚脲层合板的抗冲击性能。建立了平头弹冲击与上述试验用陶瓷板等面密度的陶瓷/聚脲层合板的SPH-FEM耦合模型,通过数值模拟研究了靶板配置型式、界面状态和聚脲层厚度对陶瓷/聚脲层合板抗冲击性能的影响。结果表明:在陶瓷层背面布置聚脲(C2型)的粘结状态的层合板抗冲击性能最好,明显优于等面密度的陶瓷板。通过聚脲层厚度对层合板抗冲击性能的研究发现:粘结状态下,当聚脲层的总厚度从6 mm增加到10 mm时,对在陶瓷正面和背面布置等厚度聚脲(C3型)的层合板抗冲击性能有较好的改善。此外,除在陶瓷层正面布置聚脲(C1型)的层合板的聚脲层厚度为10 mm和12 mm外,粘结的层合板的抗冲击性能优于层叠的层合板。研究了C2型层合板受不同头部形状的弹体正侵彻和斜侵彻时的抗冲击性能,结果表明:靶板抵抗平头弹、圆头弹、卵头弹和锥头弹的能力依次下降;四种弹体斜侵彻靶板的跳弹角度均为75°,但头部形状为曲线的弹体在侵彻过程中比头部形状为直线的弹体发生跳弹的时间更早。上述内容表明聚脲可有效地改善陶瓷的抗冲击能力,配置合理的陶瓷/聚脲层合板的抗冲击性能显著优于相同面密度的纯陶瓷板。最后,研究了仿珍珠母陶瓷/聚脲复合结构的冲击损伤特性和规律。模仿珍珠母的“砖-泥”式结构,设计了仿珍珠母陶瓷/聚脲复合梁,建立其受平头弹冲击的有限元模型,分析其冲击损伤特性和规律,并与纯陶瓷梁进行了对比。结果表明:在高速冲击下,陶瓷梁发生整体性破坏,仿珍珠母复合梁损伤范围小,能更好地保持结构完整性,具有更好的抗多次打击能力。当冲击速度增大时,陶瓷梁的损伤范围不断加大,损伤程度不断加剧,而仿珍珠母复合梁的损伤范围在冲击速度高于一定值(50 m/s)后变化不大,仅损伤程度增加。此外,当减小仿珍珠母复合梁中陶瓷片的尺寸和聚脲层的厚度时,其损伤范围和损伤程度会下降。

关键词：冲击陶瓷聚脲仿珍珠母

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