三维编织复合材料弹道性能分析与计算 47页

东华大学硕士学位论文三维编织复合材料弹道性能分析与计算姓名：徐静怡申请学位级别：硕士专业：纺织材料与纺织品设计指导教师：顾伯洪2002.12.1 摘要／兰维编织复合材料相比于层合复合材料有较高的层间剪切强度和断裂韧性而使萁具有更高的冲击损伤容限，由于该类复合材料细观结构复杂性，在弹道防护领域的应用研究目前处于探索阶段。有关弹体对三维编织复合材料靶体侵彻过程和损伤机理的研究以及靶体防弹性能的预测具有重要的实际意义和理论价值。／本文主要通过对两种厚度三维编织复合材料靶板的弹道试验，揭示三维编织复合材料在弹道冲击下的破坏形态和破坏模式，结合多层次破坏模式用ANSYS／LS—DYNA有限元软件建立有限元模型模拟三维编织复合材料在弹体冲击下的弹道侵彻过程，用弹道测试结果检验数值计算结果的准确性。本文还进行了模型精细化方面的尝试：利用“纤维倾斜模型”的基本思想建立了三维编织复合材料弹道侵彻的准细观有限元模型。通过模型计算结果与弹道测试结果的比较，验证了该方法在材料单胞划分以及材料模型选择等问题上的有效性。／主要结论有：(1)三维编织复合材料弹道冲击破坏模式的确定：正面以纤捌蹴缩、剪切破坏为主，反面以纤维的拉伸破坏为主；(2)计及多层次破坏模式的弹道侵彻过程的有限元模型在涉及不同破坏模式时，沿材料厚度方向均匀剖分，在侵彻面的一半厚度用压剪破坏应变准则，在背面一半厚度用拉伸破坏应变准则；(3)准细观弹道侵彻有限元模型运用“纤维倾斜模型”对三维编织复合材料进行准细观层次上模拟：将兰维编织复合材料看成由四块倾斜的单向板构成，对其中一块单向板用有限元方法得到材料弹道侵彻性能的数值解，并根据能量守恒原理得到整个复合材料的最终弹道性能。‘从靶体弹道侵彻破坏模拟图、弹体剩余速度的计算值与实验对比证明采用文中两种方案数值模拟三维编织复合材料弹道侵彻过程的有效性和合理性，在其它增强形式的三维增强复／算的可行性吖7合材料弹道侵彻过程计算中，也有采用本文方法进行计关键词：三维编织复合材料嫩一 查兰盔堂婴主堡窒生堂垡堡塞一垒墅翌!垒望：AnalysisandCalculationofBallisticCharacteristicsof3一DBraidedCompositesABSTRACTComparedtolaminatedcomposites，three-dimensionalbraidedcompositeshavehigherinter-laminatedshearstrengthandfracturetoughnessandthushavehigherimpactdamagetolerance．Becauseofthecomplexityofmicro-structure，researchandapplicationofsuchkindofcompositesinballisticprotectionareaisstillinaninfancystate．Ithasgreatpracticalmeaningandtheoreticalvaluetoinvestigatethepenetrationprocess，damagemeehanismandanti-ballisticperformanceofthiskindofcompositeunderballisticimpact．Thepaperistoclarifythedamagepatternoftwodifferentthickness3-DTwaron／expoxybraidedcompositesperforatedbyhi曲velocityprojectile．Combinedwithmulti-damagemodes．aFEMmodeltosimulatetheballisticpenetrationprocessisestablishedbyusingANSYS／LS·DYNA，andtheaccuracyofthenumericalresultisprovedcomparedwiththetestresult．Basedon“fiberinclinationmodel”，aquasi-micro—structuralFEMmodelisestablishedtosimulatetheballisticimpactprocessof3-Dbraidedcomposites．Comparisonbetweenthesimulatedresultandthetestresultprovedthevalidityofthemethodinelementpartitionandmaterialmodelchoice．Followingisthemainconclusions：(1)damagemodesof3-Dbraidedcompositesunderballisticimpact：majorfailuremechanismsintheimpactsideofthetargetareshearandcompressionfailurewhileextensivetensionfailureinthedistalside；(2)evenlycarvingthetargetalongthethicknessdirectiontointroducethemulti-damagemodestoFEM，applyshearandcompressionfailurecriteriontothehalfthicknessofimpactsideandtensionfailuretotheresthalfthicknessofdistalside；(3)basedOffthemainideaof“fiberinclinationmodel”，aquasi-micro-structuralFEMmodelissettosimulateballisticpenetrationprocessof3-Dbraidedcomposites：first 东华大学硕士研究生学位论文ABSTRACTsupposethe3-Dbraidedcompositesiscomposedoffourinclinedlamina，thengetnumericalresultofballisticpenetrationperformanceofoneofthefourlaminabyFEA，finallyaccordingtoprincipleofenergyconservationtheballisticpropertiesofthewholecompositesareobtained．Fromthesimulationofballisticpenetrationprocessandcomparisonbetweennumericalresultsandtestresultsofbulletresidualvelocity,itprovesthatthetwoschemesadoptedinthepaperarevalidandreasonable，andtheyalsocanbeappliedtonumericalsimulationoftheballisticimpactprocessofothertypesof3-Dreinforcedcomposites．WritenbyXuJingy-i(MajorinTextileMaterial)DireetedbyGuBohongKeywords：3-Dbraidedcomposite，ballisticpenetration,FEA 东华大学硕士研究生学位论文第一章绪论1．1问题的提出及来源高强纤维增强复合材料由于轻质高强和高损伤容限而广泛应用于防护领域。如何进一步提高复合材料的抗侵彻性能一直是人们关心的问题。在相同材料体系(纤维、基体及纤维含量)的情况下，纤维集合体的结构对材料的抗侵彻性能起重要影响，即所谓结构增强。传统用于防弹用途的纤维增强复合材料大多是平面层压复合材料，它的弹道冲击损伤破坏形式主要包括基体开裂、分层和纤维断裂，其中分层破坏是层压复合材料破坏的最显著特征。虽然这种特征是层压复合材料吸收弹体动能的一种形式，但由于层裂而吸收的弹体动能与纤维断裂及基体开裂相比有较大差距。三维织物增强体系中，贯穿复合材料厚度方向的纤维提供了材料的稳定性，增强了材料的局部剪切强度。研究指出，在相同面密度条件下，与其它增强结构相比，三维编织结构具有最高的抗侵彻能力和结构完整性‘”。由此，三维增强结构复合材料逐步进入防弹应用领域。70年代以来，编织机械的相继问世更进一步促进了编织结构复合材料的快速发展。对三维结构复合材料弹道冲击性能的研究也因此引起人们越来越浓厚的兴趣。．1．2三维编织复合材料动态侵彻性能研究现状对于三维编织复合材料的弹道冲击的专门研究目前仅有非常少量报道，但关于其它纺织结构形式复合材料弹道冲击性能的研究对本课题同样具有参考作用。下面从复合材料弹道冲击实验研究和材料防弹能力的预测及计算这两方面对近年来有关的研究文献进行综述和归纳。1．2．1弹道实验研究Jenqlws]等对机织平纹和三维编织E-玻纤复合材料进行了动态冲击测试(速度70—170m／s)，发现主要的破坏模式包括压陷、基体破坏和纤维抽拔。机织平纹织物复合材料还包括分层，而编织复合材料则没有这种破坏模式。FlanaganB]等研究纺织复合材料在冲击速度高达1100m／s情况下的动态破坏性能。试验对象是10块不同原材料、不同固定支承的纺织复合材料。试验速度从200m／s到1100m／s。结果显示，面密度～定的情况下，复合材料在受到冲击后，spectra．高强聚乙烯纤维四步法编织物在所有的测试材料中具备最高的侵 东华大学硕士研究生学位论文第一章绪论彻抵抗和结构完整性。spectr矿高强聚乙烯纤维四步法编织物即使在较低纤维体积比下仍具有较高的抗侵彻能力。这些材料在冲击点有着大面积的变形，同时伴随很少的基体开裂与材料边缘向冲击区域的坍塌。与层合复合材料相比，三维编织复合材料很少出现分层现象。同时厚度方向的纤维由于其断裂功远大于层合复合材料的断裂韧性值，使三维编织复合材料侵彻阻抗较层合材料高。研究结果还显示了在弹速从低速向中高速变化时，纤维破坏由拉伸破坏向剪切破坏转化。当子弹动能增大时，剪切抽拔和残骸质量随之减少。Cuniff等【4，5】对Spectra"，Kevl枷锦纶层叠织物受1．19FSP冲击破坏(速度400．1600rigs)进行了弹道相应实验，结果表明Spectra"具有最高的能量吸收能力，并且与应力波有关的横向变形是主要的弹体捕获机制。并指出层数增加会由于对横向变形的约束而导致能量吸收效率下降。另外，Spectra*多层织物防护系统中，在冲击点纤维的破坏形式为剪切和压缩破坏。Lee等【6】对低树脂含量(20％体积含量)spec乜B．超高分子量聚乙烯织物增强和角度铺层复合材料的抗1．1萨sP多次弹道冲击性能进行了研究，发现在150．300m／s速度范围内，刚度较大的己烯酯树脂复合材料比柔性的聚氨酯树脂防弹性能优异，作者认为原因在于后者遏制分层的发生。主要破坏模式包括分层、冲塞、基体碎裂、纤维抽拔和纤维断裂。并发现在低面密度时，单向角度铺层复合材料和织物复合材料在所研究的速度范围内不发生分层，二者具有基本相同的弹道极限。在高面密度时，单向复合材料的分层较小，而且具有较高的弹道极限。单向复合材料和织物复合材料的分层形式有所不同：单向复合材料前层纤维被弹体推出，造成平行于纤维方向树脂剪切破坏，从而形成母面窄条，同时对后层复合材料施加横向力，导致两层复合材料的分离。织物复合材料没有这种窄条形成，分层主要沿织物内两个纤维方向，并呈近圆形。Zhu等[7】对Kevlar"单-和织物复合材料受锥形弹体冲击(弹道极限130m／s)进行了实验研究，指出靶板整体结构刚度在动态侵彻时不起重要作用，而局部变形和纤维断裂是主要的能量吸收机制，分层不吸收大量能量。正交铺层单向复合材料的破坏区域呈矩形，而织物复合材料的破坏区域呈圆形。Kumar【8】通过实验研究层合板厚度及侵彻角度对层合板吸收能量及冲击破坏面积的影响，建立了能量吸收与破坏面积之间的关系。结果表明，当材料的厚度2 东华大学硕士研究生学位论文第一章绪论增加时，破坏面积同样也会变大。Walsh例等研究纤维增强复合材料在受到横向冲击载荷情况下的破坏准则。对复合层合板、复合单层板以及织物(未浸树脂)在准静态、低速冲击和弹道冲击三种情况下的变形与侵彻机制都做了试验。得到了以下结论：钳持压力较高则侵彻时纤维滑脱较少；织物被侵彻破坏时，纱线断裂具有不同时，并伴随有纱线抽拔；复合材料中由于树脂的束缚作用及纱线活动性的下降，纱线同时断裂；复合材料比较织物而言，纱线断裂根数较多，因此其吸收的能量大于织物；树脂基体本身吸收的能量很少，但它对复合材料整体吸收能量的能力却有着间接的影响。张佐光‘101等通过大量的实弹试验考察与分析了芳纶、超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维复合材料弹道吸能随面密度、弹速、成型压力、树脂基体含量等改变而变化的规律，揭示出不同纤维复合材料在不同条件下的防弹能力。文中所用的是层合板复合材料。庞宝君【ll】讨论了三维四向编织碳／环氧复合材料力学性能研究的实验方法。通过试验得到了弹性常数及反映材料非线性行为的力学性能指标随编织角的变化规律，分析讨论了编织参数对该类材料破坏模式的影响。1．2．2模型计算Jenq等【12】根据准静态侵彻曲线确定破坏模式，对玻纤／环氧树脂四步法lxl三维编织复合材料弹道极限进行预测。具体预测过程为；将四步法1Xl编织物结构分为5种单胞，基于准静态侵彻载荷一位移曲线确定织物的侵彻破坏包括基体开裂、纤维断裂、纤维抽拔等模式，并把这些破坏模式作为破坏准则用于动态侵彻的有限元程序MARC，计算动态侵彻的剩余速度和弹道极限。预测值与动态试验结果进行比较，发现弹道极限预测值比试验值偏小，经过对材料的弹性模量进行修正，得到与试验结果非常吻合的预测值。Zhu等【13】在准静态试验和动态试验的基础上，对Kevlar／聚酯层合板材料的动态侵彻过程建立分析模型，并对其弹道极限进行预测。具体过程为：利用层合板理论得到三维弯曲变形模型；通过准静态侵彻曲线确定破坏机制包括弹体接触材料产生的压陷、表面膨胀、纤维断裂、分层和摩擦。并通过一定的简化假设，将这些破坏机制用于建立模型。将整个过程划分为三个连续的步骤：弹体接触材 东华大学硕士研究生学位论文第一章绪论料产生压陷、穿透以及穿出。利用有限差分方法得到数值化结果。弹道极限和最终速度的计算值与试验数据有着较好的吻合。位移历史记录的测量值与预测值也十分一致，但是当测量速度与加速度时，一致性则会变得较差。试验数据差异和分析模型的不精确导致了这样的结果。Navarro[14】研究织物与纤维增强聚合物树脂复合材料在小尺寸弹体高速冲击下的动态性能和简化工程经验模型。通过实验观察，在假设条件下，构建了简化的预测模型。该模型包括了弹道冲击过程的主要特点，对于时间一位移，时间一弹速，复合材料的厚度一弹道极限，层合板层数一剩余速度等关系的预测计算与试验结果有较一致的吻合。单纱模型向织物模型扩展需要考虑交织点的影响，交织点的存在会引起应力波的反射，从而引起弹击点附近纤维的应变加剧而断裂。在织物模型的基础上，将基体作为附加在纤维上的惯性质量，得到了简单复合材料模型。Harding等【”】通过实验得到了复合材料拉伸、压缩和剪切等机械性能的数据，另外对复合材料板结构、梁结构在小尺寸结构试验中获得了试验数据。在这些数据的基础上，利用分析与数学的方法对试验中观测到的材料冲击建立模型。并指出有限元分析的前景以及试验方法。Wen等Il6】对复合层合板以及夹层板在准静态和动态试验得到的数据进行了分析，并采用不同形状头端的弹体进行结果比较。采用多弹簧模型进行简单的理论分析，最终得到预测FRP层合板及夹层板在准静态和动态载荷条件下的侵彻和穿透能量的经验模型。孙慧玉【17】以修正的经典层合板理论为基础，分析三维编织复合材料的力学性能。在单胞的长度方向进行积分和求平均值，预测编织结构复合材料的有效弹性模量；采用Tsai—Wu多项式失效准则，得到三维编织复合材料的强度性能。另外，进行编织结构复合材料性能实验，探讨纺织工艺参数，例如纤维编织角、横向编织角、轴向纱数与编织纱数之比、纤维体积含量等对力学性能的影响。江大志等㈣1卯用有限元模拟了层合复合材料的冲击损伤破坏过程，采用最大变分量准则和节点分裂法来处理材料的宏观损伤，其弹体冲击速度较低。1．3本研究的重要性及其意义有关于复合材料弹道实验中弹体对靶体侵彻过程和机理的研究以及靶板防4 东华大学硕士研究生学位论文第一章绪论弹能力的数值预测方面的资料和数据都相当有限，这不仅是由于问题的复杂性，而且是由于防弹领域涉及到国防研究机密。三维编织复合材料增强结构的复杂性使问题变得更为困难，而三维结构复合材料优异的防弹性能越来越受到人们的肯定。因此在已有的资料和材料基础上，如何进一步了解三维编织结构复合材料防弹机理和有效预测材料的防弹能力具有重要的实际意义和理论价值。1．4论文工作内容关于三维编织复合材料弹道冲击性能方面的研究属于全新的课题，关于该方面的研究目前尚处于初级阶段。为了更好地预测三维编织复合材料在弹道冲击下的性能表现以及为建立更精细的数值模型做好前期探索性工作，本文主要进行了以下研究：(1)三维编织复合材料试样制备与弹道侵彻测试；(2)确定三维编织复合材料弹道冲击破坏模式及破坏准则，分析复合材料试件的宏观破坏形态和细观破坏形态，提出在动态侵彻过程中材料的破坏机理和破坏准则；(3)计及多层次破坏模式的弹道侵彻的有限元计算：(4)三维编织复合材料准细观层次的弹道侵彻的有限元计算。 第二章三维编织复合材料弹道侵彻实验2．1试件的制备2．1，1纤维材料纤维材料采用荷兰AKZONOBEL生产的Twaron@1000型对位芳族聚酰胺纤维，其规格和主要性能见表2-／：表2-ITwaron@1000型性能指标【20】密度1．44幽m3拉伸模量65GPa拉伸强度2800Ⅳ口a断裂伸长率3．4％分解温度>500℃标准状态吸湿率7％2．1．2三维编织预型件三维编织预型件规格为12锭×4锭和12锭X6锭两种类型编织物，采用东华大学纺织学院丁辛教授研制的四步法1×1纵横阵列编织机进行织造。2．1．3基体基体使用热固性环氧树脂，牌号618。主要性能见表2．2：表2-2618#热固性环氧树脂性能指标口11密度1．1—1．29／cm5拉伸模量2，O一5．OGPa泊松比0．35拉伸强度55一12∞脏k断裂伸长率1-5—8．5％剪切模量】．5GPa压缩强度130M口a使用上限温度150℃2．1．4复合材料成型复合材料成型方法为手糊法。把配制好的环氧树脂和固化剂混合胶液注于15X5cm编织物上，不断用手拉伸挤压试样，同时添加环氧树脂胶液，使胶液进入编织物内部。反复添加胶液和挤压试样，使树脂基体完全浸渍编织物。将经过胶液浸渍的编织物试样拉直、压平，用两块塑料薄膜上下夹盖并尽量使其保持原来的形状。然后将其放在通风处，经24小时晾干即可。按照以上步骤分别制造出12锭X4锭和12锭x6锭芳纶纤维增强复合材料， 东华大学硕士研究生学位论文第二章三维编织复合材料弹道侵彻实验尺寸分别为：12×4型：(100+10)X(45±3)×(124-1)nlnl，12X6型：(1004-10)X(454-3)X(204-2)mm。复合材料试件的制作工艺流程见图2-1所示。芳纶纤维(1680dtex／1000f)当擀芳纶复丝l■医处理芳纶复丝涂覆甘油环氧树脂+固化剂环氧树脂与固化剂按5；l重量比配制，混合均匀胶液I手糊法J成型皇复合材料I围2-1复合材料试件制作过程三维编织复合材料中平均纤维体积含量计算，直接用复合材料截面中纤维面积与复合材料截面面积的比值推算而得。复合材料横截面尺寸：12锭×4锭三维编织复合材料：45X12mm．12锭×6锭三维编织复合材料：45X20ram。本实验中所用的纤维原料为芳纶股线(由20根1680dte耐1000f的芳纶纱无捻并合而成)。其中，12X4型芳纶纤维增强复合材料横截面纱锭数为：12X4+12+4：64．12X6型芳纶纤维增强复合材料横截面纱锭数为：12X6+12+6：90。因此，复合材料中纤维体积含量可以推算：．，212×4型：vf2Ⅱ×等×1000×20×(12x4+12+4)／(4．5×1．2)：27硼7 东华大学硕士研究生学位论文第二章三维编织复合材料弹道侵彻实验12×6型：Vf=Ⅱ×兰-×1000×20×(12×6+12+6)／(4．5×2)=23．4％斗其中，V厂—一复合材料中纤维所占体积百分比；d——单丝截面直径。2．2实验简介2．2．1实验地点南京理工大学弹道国防科技国家重点实验室2．2．2实验仪器56式弹道发射枪；7．62mm步枪标准弹，质量为7．959，直径为7．62mm，标准药量为1．69；子弹速度通过调整加装药量来控制；弹速用两组锡箔作计时触发器测试，分别测试子弹的入射速度和剩余速度。每一组锡箔有四片，其中前两片贴近，当子弹击穿时则导通电源，并开始计时，当子弹击穿后两片锡箔时，结束计时。得到的时间即为子弹通过这一组锡箔所经过的时间，从而可以获得子弹的速度。计时仪采用HG202A．Ⅱ型电子测时仪。2．3实验结果对12X4型靶体和12×6型靶体分别进行15次和11次实弹冲击试验。弹速通过药量调节，从240m／s到接近700m／s。试验结果见表2-3。表中左列和右列分别为12X4型和12X6型三维编织复合材料测试结果。忽略子弹变形、发热损失的能量，认为子弹动能的损失即为靶体吸收的能量。入射速度(Ⅲ／s)图2-212X4型靶体入射速度一出射速度曲线以及入射速度一子弹吸收能曲线^∞jv世嘲张熏 查堡盔兰堡主型壅生堂丝堡壅苎三童三丝塑堡墨盒塑型堂望堡塑!堕入射速度(m／s)图2-312×6型靶板入射速度一出射速度曲线以及入射速度一子弹吸收能曲线12×4型和12X6型靶板入射速度一出射速度曲线以及入射速度一子弹吸收能曲线分别见图2．2和图2．3所示。从图中我们可以看出子弹的出射速度与入射速度之间满足线性关系；靶板吸收能量与入射速度呈非线性关系，入射速度越大，吸收能量越低；靶板越厚，弹道极限越高。表2-3三维编织复合材料弹道测试结果试验号子弹动试验号子弹动入射速度剩余速度(12X4能变化(12X6能变化Vs(m／s)Vr(m／s)蟛(m／s)砰(m／s)型)(J)型)∽24l2532562632792873263283783853915235326611281681701822242062762793263423434865016471661421461431101591201181461241401481277329129529829938338639050653l65065821022520423132531632947950264163816114518814316319517410611946103一L!§§ZQ§璺墨l毡9^∞1『)世制谣熏mmⅢ}盆晰mm聃|iⅢu也uuMM"uum 东华大学硕士研究生学位论文第三章三维编堡堡鱼塑型堂望堡塑壁堑蕉茎第三章三维编织复合材料弹道侵彻破坏模式3．1确定破坏模式的重要性层压复合材料与三维增强结构复合材料的弹道冲击损伤破坏形式有明显的不同，层压复合材料的弹道冲击损伤破坏形式主要包括基体开裂、分层和纤维断裂，其中分层破坏是层压复合材料破坏形态的最显著特征。三维增强结构在复合材料厚度方向引入增强纤维，增加了复合材料局部的剪切强度，其弹道冲击损伤破坏形式为基体开裂和纤维断裂。对于三维编织复合材料动态破坏模式的确定，目前有少量报道。Jenq[1习对玻纤／环氧四步法1×1三维编织复合材料准静态侵彻性质研究之后提出了侵彻破坏包括基体开裂、纤维断裂、纤维从试件背面抽拔等模式。本章主要讨论不同厚度Twaron／环氧树脂四步法三维编织复合材料在冲击速度240m／s～700m／s情况下的宏观和细观破坏形态，以确定三维编织复合材料弹道冲击破坏模式和破坏准则。确定复合材料在弹道冲击下破坏模式对材料弹道冲击分析计算、抗侵彻材料的设计(包括材料设计和结构设计)的意义是不言而喻的。3．2材料破坏宏观形态用美国Questar公司生产的Questar三维视频显微系统对Twaron／环氧树脂四步法三维编织物复合材料破坏情况放大约12倍进行宏观观测。我们发现复合材料受弹击面(以下以“正面”表示)纱线断裂面光滑平整，能够观测到明显的基体开裂和因崩落产生的凹陷，如图3-i和图3—2所示；复合材料受弹击后弹头出射面(以下以“反丽”表示)大量纤维被抽拔，纱线断裂面较粗糙，基体附着于被抽拔的纤维而开裂，如图3—3和图3—4所示；弹道贯穿后复合材料纤维抽拔和拉伸形成的破坏形态也可以通过侧面照片进行观测，如图3-5和图3—6所示。由于三维编织材料的结构整体性较好，因此破坏丽积比较集中，破坏主要作用于局部，弯曲挠度很小，材料厚度方向变形以纤维拉伸抽拔为主，这一点明显区别于层压复合材料。层压复合材料在弹道冲击下整体变形较大，这主要是由于层压复合材料抗弯刚度较低，同时层压复合材料的断裂韧性G。。和G,Io较低，易在厚度方向产生较大的变形挠度。IO 图3一lTwaron／环氧树脂三维编织复合材料正面纤维剪切、压缩破坏和基体开裂、凹陷图3—3Twaron／环氧树脂三维编织复合材料反面拉伸破坏和基体开裂图3-5haron／环氧树脂三维编织复合材料侧面纤维抽拔形态3．3材料破坏细观形态‘图3-2Twaron／环氧树脂三维编织复合材料正面纤维剪切、压缩破坏和基体开裂、凹陷图3—4Twaron／环氧树脂三维编织复合材料反面拉伸破坏和基体开裂图3-6Twaron／环氧树脂三维编织复合材料侧面纤维抽拔形态取样：材料正反面弹口附近样品分别取若干。用JEOL日本电子株式会社生产的JSM一5600LV扫描电镜(SEM)对样品进行观察，可以看出材料正反面破坏的细观形态有明显差别a材料正面大部分纤维束的断裂面为较光滑断面，少部分纤维呈原纤化状态如图3-7、图3-8所示；材料反面纤维的破坏形态则主要表现 为纤维的原纤化，如图3—9、图3一lO所示。原纤化特征是芳族对位聚酰胺(PPTA)在高速拉伸破坏下的典型破坏模式吲，所以由此推断材料正面的破坏以压缩、剪切破坏为主导，拉伸破坏也占一定比例；而材料反面的破坏则主要是以拉伸破坏为主。从弹靶碰撞接触直至侵彻的过程看，弹体与靶体碰撞的前期阶段，弹体挤压靶体材料使纤维和基体产生高应变率条件下的压、剪破坏，基体由于拉、压应力在复合材料内的互相叠加而产生开裂和崩落；在碰撞后期，弹体出靶时，弹靶面挤压作用由于靶体剩余部分剪切、压缩刚度降低而减弱，使靶体反面纤维以与弹体接触部分为拉伸端，形成拉伸破坏。由于受拉纤维与复合材料基体粘合良好，因此存在纤维拉伸破坏、纤维附带基体而被抽拔两种模式。图3—7Twaron／环氧树脂三维编织复合材料正面压缩、剪切及少量拉伸破坏图3-9Twaron／环氧树脂三维编织复合材料反面纤维大量拉伸破坏图3-8图3—7左上角放大，纤维断面光滑为剪切和压缩破坏图3—10Twaron／环氧树脂三维编织复合材料材料反面纤维的原纤化从以上图示和分析，我们可以看出材料在受到弹道冲击的过程中，正面以压缩和剪切破坏为主，反面以拉伸破坏为主。为了充分有效地利用材料的性能优势，可以采用正面反面不同材料混杂的靶板：正面采用压缩、剪切刚度和强度高的材料，如高强玻璃纤维、高强聚乙烯纤维；反面采用拉伸刚度和强度高、拉伸断裂J2 应变大的纤维，如芳纶纤维等。另外，在弹靶碰撞过程的数值模拟中，为了提高计算精度，应在弹靶不同的接触阶段选用不同的破坏模式和破坏判据。3．4讨论(1)三维编织复合材料弹道冲击破坏形态在宏观上体现为纤维拉伸断裂、抽拔和基体开裂，破坏作用于局部，复合材料横向整体变形较小；细观上体现为材料正反面破坏形态的差异：正面纤维的断裂面较光滑，少部分纤维呈原纤化状态，反面纤维大量表现为纤维的原纤化。(2)通过宏观和细观观测，三维编织复合材料弹道冲击破坏模式初步定为：正面以纤维的压缩、剪切破坏为主，反面以纤维的拉伸破坏为主。(3)对靶板设计的建议：正面采用压缩、剪切刚度和强度高的材料，反面采用拉伸刚度和强度高、拉伸断裂应变大的纤维。(4)在弹靶碰撞数值模拟中，在不同接触阶段应根据破坏模式的差异而选用不同的破坏判据。 东华大学硕士研究生学位论文第四章计及多层熊整堕塞箜堂堂堡塑壹堕!i!垡第四章计及多层次破坏模式的弹道侵彻有限元计算在弹体侵彻复合材料的过程中，由于弹体与靶体之间相互作用的复杂性及复合材料破坏模式的多样性，目前对弹体侵彻复合材料靶板的机理了解还十分有限，对侵彻过程的数值模拟方面的研究也还很有限。对于三维编织复合材料，由于其结构复杂性，更进一步加大了建立有限元模型的难度。关于三维编织复合材料弹道侵彻的有限元模型目前为止只有一篇相关文献“”。本章在对两种厚度Twaron／环氧三维编织复合材料弹道冲击下的宏观和细观破坏模式观测的基础上，确定材料在不同厚度层次上的破坏准则，并将破坏准则引入该类材料的单元划分，采用单元分层划分方案和动态有限元进行数值计算，预测三维编织复合材料在弹道冲击下弹体的剩余速度。通过剩余速度的计算值和测试值比较验证本文所建有限元模型的合理性和有效性。4．1动态显式有限元软件及计算方法结构简介本文采用ANSYS／LS-DYNA60有限元分析软件进行求解分析，该软件具有最适于波传播问题和碰撞问题模拟的动态显式有限元分析功能。前处理采用ANSYS公司前处理器，生成一个后缀名为K的文件作为LS．DYNA显式积分部分的输入文件，然后用LS-DYNA960求解器求解，求解结果包括冲击过程图形文件和时间历程文件。整个分析过程的流程图如图4．1所示。LS-DYNA960版是LSTC公司最新推出的功能齐全的几何非线性(大位移、大转动和大应变)、材料非线性(150多种材料模型)和接触非线性(30多种)程序。它以Lagrange算法为主，兼有ALE(ArbitraryLagrangeandEuler)和Euler算法；以显式求解为主，兼有隐式求解功能；以结构分析为主，兼有热分析、流体一结构耦合功能；以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能的通用结构分析非线性有限元程序。其基本的算法结构如图4．2所示。详细的算法描述见LS．DYNA理论手册1231。14 东华大学硕士研究生学位论文第四章计及多层破坏模式的弹道侵彻有限元计算图4-1有限元分析流程图⋯～前处理(ANSYS6．0)1If卜一后处理Il(LS-DYNA960) 东华大学硕士研究生学位论文第四章计及多层破坏模式的弹道侵彻有限元计算图4-2计算方法结构图4．2计算方案及步骤从第三章对弹道侵彻破坏后的靶体材料作宏观形态和细观结构观测，得到复合材料侵彻破坏模式：靶体入射面以压缩和剪切破坏为主，出射面以纤维拉伸破坏为主。在建立的动态侵彻模型中引入破坏模式：沿三维编织复合材料厚度方向均匀划分成24层(12锭×4锭)或40层(12锭×6锭)，前12层或20层用复合材料最大压、剪失效应变准则，后12层或20层用最大拉伸失效应变准则。四步法三维编织复合材料属于四向增强材料，材料性质倾向于各向同性。4．2．1靶体材料参数的确定三维编织复合材料由于在X，Y，z方向上都存在纤维且在各方向分布相对均匀，经过环氧树脂充分浸透后，有理由假设复合材料为各向同性匀质材料。计算中选用塑性运动学模型(PlasticKinematicModel)中的Cowper—Symonds材料模型⋯1，材料的屈服应力与应变率关系如下：。Iq_[1+(吾)_】(¨∥EpGpeft)其中，cr0是初始屈服应力，占为应变率，C和P是Cowper—Symonds应变率参16 东华大学硕士研究生学位论文第四章计及多层破坏模式的弹道侵彻有限元计算数，∥为硬化系数(介于0，1之间)，邱∥是有效塑性应变，4是塑性硬化模量，并且耻兰其中，E为初始模量，玩。为屈服后切线模量。对于复合材料而言，上述力学性质指标由纤维、基体参数及其体积含量计算得到，并且假设界面粘结理想。表4-1列出纤维、基体以及复合材料力学性质参数。表4-1纤维、基体及复合材料力学性质参数P(g／CB]3)1．171．441．241．23E(GPa)5．07123．285．020．445．0”0．350．20．310．350．310．35ar(GPa)0．12．580．522．580．12．580．1Et”(GPa)008f(％)4．55．61．1211．14．512．64．5弹道测试中所用弹速为中速(240m／s～670m／s)，对应材料拉伸应变率应为102s1“”，因此纤维的拉伸失效应变和杨氏模量等指标从应变率为180s一-的拉伸曲线(图4-3)上取得，该拉伸曲线由分离式Hopkinson拉杆测试得到。从图4—3可以看到，Twaron．纤维的拉伸应力一应变曲线基本呈现线性，因此E。。切线模量取0。 墨茕倒图4--3Twaron纤维在应变率为180s"。下的拉伸应力一应变曲线对位芳族聚酰胺纤维压缩初始模量与拉伸初始模量相同，并且压缩的屈服应力与失效应变分别是拉伸时对应值的l／5。”。对于环氧基体，看作完全脆性匀质体，拉伸和压缩各项参数完全一致。对于复合材料的拉伸性能力学参数用各组份的体积含量推算。”：(下标T，c分别表示拉伸和压缩；c，f和r分别表示复合材料，纤维和树脂基体。)P啊=Plx■+Pr,T(1一■)E。，r=Ef,T■+耳，r(1—0)V啦=Vf,T巧+yr,T(1一■)OP#T2Gy、fT．一q，c，r占，^r一—F一。一c．r其中，复合材料拉伸屈服应力即取增强纤维的屈服应力。由于靶体材料为无塑性变形的弹塑性体，因此屈服应力即为失效应力，失效应变由失效应力与初始模量计算得到。本试验所用复合材料的纤维体积含量近3005，在这样的纤维体积含量下，复合材料压缩性质主要取决于基体的压缩性质，为了简化计算，这里复合材料压缩性能参数直接采用环氧基体的压缩性能参数。计算过程中所用的纤维、基体及复合材料参数值见表4-1。4．2．2有限元模型的建立4．2．2．1元素类型和材料属性 东华大学硕士研究生学位论文第哩童生壁垒星熊堑堕塞盟堂堂堡塑壹里垂生竺从表4-2可见，靶体前后部分采用相同材料模型，但输入参数不同：前半部分由于破坏模式以压缩、剪切破坏为主，采用材料压缩失效参数；后半部分由于破坏模式以拉伸破坏为主，采用拉伸失效参数。另外，弹体作为刚体处理。表4-2单元类型、材料属性及基本参数4．2．2．2单元划分试验所用子弹为56式7．62ram标准步枪弹。图4-4中(a)和(b)分别是12×4型和12X6型三维编织复合材料弹道侵彻的弹靶模型，考虑到几何对称性及减少计算量，取1／4对称材料计算。弹头尺寸精确按照实物尺寸，靶体按测试时的固支条件被简化成圆柱体，尺寸如图所示。网格化遵循弹心、靶心较密，边缘区域较疏的原则进行。单元元素为8节点6面体。12锭X4锭三维编织复合材料弹道侵彻模型共有21998个单元，44275个节点；12锭X6锭三维编织复合材料 查堡查堂堡主婴塞圭堂垡丝塞苎婴主生墨童星熊堑蔓墨盟堂堂堡塑查里!i!堕图4-4子弹和靶体模型弹道侵彻模型共有36388个单元，74067个节点。4．2．2．3边界约束条件对于1／4模型，边界条件的添加要考虑到对称问题。本模型中对子弹约束为：将x和Y方向的平动约束为0；x、Y和z方向的转动约束为0。对靶体的约束为：法线方向为x方向的表面上所有节点在x方向的平动约束为0；法线方向为Y方向的表面上所有节点在Y方向的平动约束为0；圆柱弧形外表面上所有节点在X、Y和Z方向上的位移约束为0。4．2．2．4定义界面接触在本模型中，弹体(Rigid)与靶体(PlasticKinematic)的界面接触采用“面对面带侵蚀接触”算法(CONTACT_ERODING_SURFACE_SURFACE)。在定义界面接触中，还需要输入界面之间的静摩擦和动摩擦系数。在弹道冲击过程中，弹体与靶体的相对速度较大，在这种情况下，它们之间的摩擦力很小。靶体对子弹的拦截阻碍的主要机理是纤维断裂、基体开裂等，而不是弹靶之间的摩擦。另外，由于实验条件限制，通过实验获得高速状态下弹靶这两种材料问的摩擦系数难度很大，而且经过尝试发现在本模型中，不同摩擦系数的输入对于最终结果的影响微乎其微。因此，这里根据经验将模型中材料界面间的静动摩擦系数分别定义为0．1和0．05。4．2．2．5添加负荷条件模型整个系统由弹体与靶体组成，靶体圆柱弧形外表面由边界约束条件固20 查兰盔堂堡主翌壅生兰垡堡苎苎堕兰生墨垒星堕堑茎苎竺堂望堡塑查哩!!!!苎定。若不考虑重力场及空气阻力对弹体的影响，则整个系统只有一个惯性力负荷条件，即子弹的入射速度。因此根据实验情况对子弹上所有节点添加Z方向入射速度。4．3计算结果的校验4．3．1靶体弹道侵彻破坏过程模拟图4—5为初速度为391m／s时，子弹冲击12×4型三维编织复合材料的过程(试验号：L11)。结合图4-6时间一速度曲线和图4—7时间一加速度曲线可以看到，t=O～18us时，子弹速度下降缓慢，加速度绝对值由0缓慢增加，t=18us对应于弹头恰好位于靶体前后两部分交界部位；t=18us～72us，子弹速度下降较为迅速，加速度绝对值也迅速达到最大值后又重新恢复到0，在这过程中，加速度始终为负数，即与速度方向相反。注意到t=72us时，子弹并未完全穿透靶体，但弹体最大横截面处已经位于出射面。t=72us～1lOus，子弹速度保持不变，加速度值也保持为0，说明这段时间内，弹体与靶体已经没有接触，因此弹体在毫无阻力的情况下直接穿出靶体，因此速度不变。从以上分析中可以看出，由于靶体前后部分破坏模式的差异，弹体在穿透前半部分靶体的过程中，主要克服纤维和基体的剪切和压缩力，因而能量损耗较小，而在穿透后半部分靶体的过程中，主要是纤维和基体的拉伸力阻碍弹体的运动，因此弹体动能损耗较大。由此，为了更好地利用材料的性能，我们可以考虑靶体的材料混杂设计：前半部分采用压缩和剪切性能较好的材料，而后半部分采用拉伸性能优越的材料。图4-8为初速度为650m／s时，子弹冲击12×6型三维编织复合材料的过程(试验号：HIO)。图4-9和图4—10分别对应时间一速度曲线和时间加速度曲线。时间一速度曲线同样可以分成三部分，曲线形状与厚度较小的复合材料没有太大差别。从弹道侵彻过程模拟计算中，可以看到弹体在侵彻靶体时，靶体出射面有局部隆起，并伴随有靶体碎片飞出，这与实际测试过程中的观察是一致的。 东华大学硕士研究生学位论文第四章计及多层破坏模式的弹道侵彻有限元计算{V菪图4-5靶体弹道侵彻破坏过程(试验号：Lli)时问(us)图4--6L11弹体速度一时间曲线图4--7Lll弹体加速度一时间曲线^一§、∞，／luv避艟异 东华大学硕士研究生学位论文第四章计及多层破坏模式的弹道侵彻有限元计算01籍图4-8靶体弹道侵彻破坏过程(试验号：HIO)时间(uo)时闻(us)图4--0HIO弹体速度一时间曲线图4--10HIO弹体加速度一时间曲线4．3．2出射速度的计算及与实验值的对比由于试验条件限制，实弹测试中仅有入射速度与剩余速度两个指标值，而无^∞jij，．uv籍嚣 东华大学硕士研究生学位论文塑婴童生墨兰星壁堑壅塞堕苎丝堡塑宣里!!丑墨法得到很多中间信息。为考察有限元计算的有效性，对计算得到最终剩余速度与弹体剩余速度的测试值进行对比，分别见图4一ll和图4-12所示。从速度对比图中可以看到，入射速度与剩余速度曲线基本呈线性关系，且实验值与计算值吻合得较好。厚度较小的三维编织复合材料实验值与计算值基本重合，而厚度较大的三维编织复合材料则稍有差异，其中较低速情况下计算值偏大，而较高速情况下计算值偏小。这与试验时数据误差以及有限元计算各种近似假设有关。图4—1l12X4型靶体剩余速度一入射速度曲线图4-1212X6型靶体剩余速度一入射度曲线由弹体侵彻不同厚度三维编织复合材料靶体的剩余速度计算值和测试值比较可以看出，本研究提出的引入压剪破坏、拉伸破坏准则的有限元模型可以有效地模拟弹靶互相作用过程，侵彻过程的模拟图也证明了所用方法的合理性。对于其它增强形式的三维结构复合材料弹道侵彻过程，也有可以采用本文方法进行计算的可行性。4．4讨论三维编织复合材料在弹道防护领域中的应用研究尚处于探索阶段，本章主要研究三维编织复合材料在刚性弹体侵彻下在不同厚度层次上的破坏模式，同时建立不同破坏模式的有限元计算模型，数值模拟弹靶间的侵彻破坏过程。(1)在弹道侵彻过程中，三维编织复合材料靶体在侵彻正面以压、剪破坏为主要模式，在靶体背面复合材料以拉伸破坏为主要模式；(2)模拟三维编织复合材料在弹道侵彻过程的有限元模型在涉及不同破坏模式时，沿材料厚度方向均匀剖分，在侵彻面的一半厚度用压剪破坏应变准则，在背面一半厚度用拉伸破坏应交准则；(3)复合材料基本性质参数由高应变率下纤维的应力应变曲线、基体性质 东华大学硕士研究生学位论文第四章计及多层破坏模式的弹道侵彻有限元计算参数和纤维体积含量计算得到；(4)从靶体弹道侵彻破坏模拟图、弹体剩余速度的计算值与实验对比证明采用多层次破坏模式在数值模拟三维编织复合材料弹道侵彻过程的有效性和合理性：(5)在其它增强形式的三维增强复合材料弹道侵彻过程计算中，也有采用本文方法进行计算的可行性。 第五章准细观层次的弹道侵彻有限元计算对于三维编织复合材料的弹道侵彻模拟最大的困难之一在于靶体材料有限元模型的建立，包括几何模型的建立和材料模型的选择。本文第四章对三维编织复合材料的弹道侵彻过程用有限元进行模拟和数值计算，对材料不同层次引入不同的破坏准则，靶体材料模型采用的是各向同性材料(塑性运动学模型PlasticKinematicModel)。虽然三维编织复合材料属于四向增强材料，材料的性质倾向于各向同性，但是由于编织倾斜角的影响，在材料厚度方向上纤维的增强作用要弱于其它两个方向，因此有必要对材料结构模型向进一步精细化发展。由于三维编织结构的复杂性以及微型计算机计算能力的限制，材料结构模型的细观层次，即纱线层次很难达到。本章采用简化的方案：采用Yang等o”的“纤维倾斜模型”对三维编织复合材料进行模拟，这里称为“准细观”模型。5．1三维增强结构复合材料准细观层次的分解方案“纤维倾斜模型”是针对三维纺织结构增强复合材料而建立的。它的基本思想是：将三维纺织结构增强复合材料结构的最小单元(单胞)看作由一个长方体的四条空间体对角线纱线组成，如图5．1所示。单胞的尺寸(长P。，宽Pb和高P。)决定了这四条纱线的位置和倾斜角度。加上复合材料中基体的作用，每一个单胞可以看成是由四块不同方向纤维铺设的单向板组合而成，如图5．2所示，这四块单向板中纤维的排列方向分别为这四条对角线的方向。从而复合材料可以看成是这些单胞的组合。忽略四块单向板之间的互相交叉，利用经典层合板理论对每一块层合板进行分析推导，得到复合材料整体的力学性质。图5-1三维增强结构复合材料的单胞结构图5-2四块单向板组成的“纤维倾斜模型”单胞本章采用上述“纤维倾斜模型”将三维四步法编织复合材料分解成四块单向层合板，根据几何对称性以及弹道冲击性质的对称性，仅对其中一块单向板的弹道侵彻过程进行有限元计算，并根据能量守恒原则推算出四块单向板组成的复 东华大学硕士研究生学位论文第五章准细观层次的弹道侵彻有限元计算合材料侵彻计算结果。5．2计算方案及步骤5．2．1单胞的划分从宏观上来说，三维四步法编织复合材料最小结构单元在长度方向(X方向)为一个花节长度，宽度方向(Y方向)为一个循环，高度方向(Z方向)也看成一个循环。在“纤维倾斜模型”中，纤维倾斜角度对于弹体侵彻靶体时弹靶接触而言是一个很重要的影响因素，因此这里以复合材料表面纤维倾斜角为主要依据进行单胞的划分。(a)正面图(x—Y面)(b)侧面图(X—z面)图5—312×4型复合材料的外观形态(8)正面图(X叫面)(b)侧面图(x-z面)图5—412×6型复合材料的外观形态图5-3和图5-4分别是12X4型和12X6型复合材料的外观形态，Y和z方向上纱线形态呈现明显循环，取其中一个循环，从而单胞的高度Pc和宽度Pb可以确定，同时结合纱线在侧表面倾斜角度0可以确定出单胞的长度P。，见式5-1。这里单胞划分遵循最大可能接近实际中弹体与纱线接触角度的原则。 东华大学硕士研究生学位论文第五章准细观层次的弹道侵彻有限元计算P；生珂．P；土1tall护其中，厶．。～一Y和Z方向复合材料长度只^。⋯一X，Y和z方向单胞的长度H“～一复合材料在Y和z方向单胞循环个数对12×4型复合材料，Lb=45ram，厶212mm，‰=6，／"1c=2，0=20。，则只=16．5mm，B=7．5mm，Pc=6ram对12×6型复合材料，厶245ram，t220mm，nb26，”。=3，0=30。，则只211．55mm，只=7．5mm，只=6．67mm单胞尺寸确定后，模型中一块单向板内纤维铺设角度口也随之确定5．2．2几何模型的建立眦。志图5-5一块单向板几何模型(5-1)(5-2)厶一‰lIe 东华大学硕士研究生学位论文第五章准细观层次的弹道侵彻有限元计算对于组成复合材料的四块单向板中的任意一块，其长度a和宽度b均取6个单胞循环，厚度c选择标准为保证子弹穿透复合材料垂直距离为原复合材料厚度的1／4，见式5-3。单向板尺寸及其中纤维排列方向如图5-5所示。a=6x_P：+P；b=L6(5～3)c：生。cos口5．2．3靶体材料参数的确定将单向板视为横观各向同性复合材料，选用ANSYS材料库中带损伤的复合材料模型(CompositeDamageModel)。该模型材料的应力应变关系为：毛；喜(吼一u盯：)毛。i㈣叫1盯2J岛：÷(∥2一匕吼)岛2瓦(∥2一匕吼J2￡z：2百1r”+口砣其中，占。，占z和s。：分别是材料纵向、横向的拉伸应变和面内剪应变；吼，仃：和f。：分别是材料纵向、横向拉伸应力和面内剪应力；V。和v：分别是纵向和横向泊松比；E，，E2和Gl：是纵向、横向拉伸模量和面内剪模量；口为非线性剪切应力参数。该模型采用ChangandChang啪1三个失效准则。它们是：(1)基体开裂失效准则：兄一2@2+_当E。。>1，则失效。此时，材料常数E：，G12，嵋和V2设为0。(2)压缩破坏失效准则：‰=京2+[白q净；当t。，>1，则失效。此时，材料常数最，嵋和"，：设为0。 (3)纤维断裂失效准则‰”2印2+_当‰。，>1，则失效。此时，材料常数E。，E：，G⋯V-和1，：设为0。其中，S。～一纵向拉伸强度，S：一一横向拉伸强度，S。：一一面内剪切强度，c：一一横向压缩强度。带损伤的复合材料模型需要输入的力学性质参数由组份(纤维和基体)以及它们各自体积含量计算得到，这里假设纤维基体间界面粘结理想。表5-1列出了复合材料靶体的各项参数。这些参数的获得由纤维和基体的相应参数值(见表5-2)并结合下列经验公式n01计算而得。Et=Ef，|斗E≯。岛2岛2日矗≥面a12=G13-----可志而氏=志u2=y13；Vfl2■+ym圪4n一4控们一罅3—4—3—4+一+立堕堕‰= E，2y“E。吃E。表5-1复合材料靶体力学参数密度p拉{申模量(GPa)元素类型材料模型(g／cm3)E1E2E312×41．2423．289型DamageSOLIDl6412×6Composite型1．2320．448．9剪切模量(GPa)泊松比G12G13623V12V13V2312×41．653．020．3l0．31O．49靶型12×6体1．643．030．310．49型体积模量剪切强度纵向拉伸横向拉横向压非线性BhlkS12(GPa)强度S。伸强度S。缩强度C。剪切应(GPa)力参数a12X420．40．391．305O．13O．650型12×620．40．391．1450．130．650型表5-2复合材料各组份参数在表5—2中，各组份参数的获得及靶体材料力学参数的计算与第四章类似，这里有几点需要说明：(1)纤维横向拉伸模量E。直接测试非常困难。V．P．W．Shim。”把纤维横向拉伸时在微观上对应于分子链间滑移，纵向拉伸对应于分子链的拉伸。根据芳亟l=∞矿 东华大学硕士研究生学位论文第五章准细魂层次的弹道侵彻有限元计算纶纤维纵向拉伸模量62GPa(静态)类比推算得到Em(2)纤维剪切模量此处用分子结构类似的Kevlar29的剪切模量阻61代替。(3)体积模量艮。。表征材料在受压下的弹性性质，值越大则抗压缩性越高。对各向同性材料有经验公式。21：Eb．1k=E／3(卜2v)，这里采用此公式近似计算材料的体积模量。(4)横观各向同性材料单向板的剪切强度、横向拉伸强度和横向压缩强度值取的是基体相应值，轴向拉伸强度为复合材料模量与失效应变的乘积。(5)材料剪应力一应变看成线性关系，非线性剪切应力参数取0。5．2．3单元划分弹体与靶体的网格化与本文第四章类似，遵循弹心、靶心较密，边缘较疏的原则进行，如图5-6所示。单元元素为8节点6面体。12锭X4锭三维编织复合材料弹道侵彻模型共有16800个单元，21692个节点，12锭×6锭三维编织复合材料弹道侵彻模型共有37728个单元，46950个节点。图5-6子弹和靶体模型5．3计算结果的校验5．3．1靶体弹道侵彻破坏过程模拟 查竺奎兰曼主旦塞生堂垒丝奎整至童堡塑垫墨盗堕堂堂堡塑互里!!!竖图5-7靶体弹道侵彻破坏过程(试验号；L4，12X4型)图5-8弹体速度一时间曲线(试验号：L4，图5-9弹体加速度一时间曲线(试验号：L412X4型)12×4型) 图5—10靶体弹道侵彻破坏过程(试验号：H7，12×6型)V时阃“●)图5-11弹体速度一时间曲线(试验号：H7，图s一12弹体加速度一时间曲线(试验号：12×6型)H7，12×6型)对于12×4型和12×6型两种厚度的三维编织复合材料，在不同时间间隔的侵彻状态以及侵彻过程中的弹体速度、加速度分别见图5—7～图5-10，速度与加速度曲线产生差异的主要因素在于影响侵彻过程包括靶板整体弯曲变形和局部压剪、拉伸破坏：12×4型复合材料整体弯曲刚度低，易产生贯穿中心点周围的挠曲，使弹体速度、加速度在最初的10us内产生极大幅度的变化，12×6型复合材料在侵彻最初阶段靶板挠曲变形比12×4型小，对弹体的主要阻力来源于纤维断裂、基体开裂的侵彻阻力，而侵彻阻力的最大值处于弹体横截面积最大部分处贯穿靶板时发生，所以速度和加速度随时间变化曲线在侵彻时间中段产生较大变化。从弹道侵彻过程模拟动画中可以看到弹体在侵彻靶体时，靶体出射面有局部隆起，材料变形形态具有方向性，这与弹体非垂直入射有关。四块单向板相对与弹体入射方向呈对称排列，因此可以想象，若将四块单向板破坏形态合成，应 东华大学硕士研究生学位论文第五章准细观层次的弹道侵彻有限元计算正好呈现圆形破坏形态。另外，材料整体变形较小，这与实际冲击过程是一致的。5．3．2出射速度的计算及与实验值对比为了考察模型计算的有效性，对弹体的最终剩余速度的计算值和测试值进行对比，薄型与厚型分别见图5—13和图5一14所示。模型采用的是构成“纤维倾斜模型”四块单向板中的一块进行有限元计算。假设每一块单向板吸收子弹的动能相同，则圭m¨V班4×j1m(v卜嵋．，)即V，=√4吨。，-3v?其中，v，一一子弹入射速度v，一一子弹出射速度vl。一一子弹射穿一块单向板的出射速度朋一一子弹质量图5-1312X4型弹体剩余速度一入射速度图5-1412X4型弹体剩余速度一入射速度曲线从速度对比图中可以看到，剩余速度一入射速度曲线呈线性关系，计算值与实验值吻合得较好。其中厚度较小的三维编织复合材料计算值与实验值基本重合，而厚度较大的三维编织复合材料剩余速度的计算值整体比实验值偏小。5．4讨论本章把“纤维倾斜模型”应用于三维编织复合材料几何模型和材料模型的建立中。将三维编织复合材料视为由四块单向板组合而成，对其中一块单向板的侵 东华大学硕士研究生学位论文第五章准细观层次的弹道侵彻有限元计算彻破坏过程用有限元进行数值模拟，并根据能量守恒原则得到三维编织复合材料弹道侵彻性能。(1)复合材料基本性质参数由高应变率下纤维的应力应变曲线、基体性质参数和纤维体积含量计算得到，其中关于强度值的推算较为粗略；(2)从靶体弹道侵彻破坏模拟图、弹体剩余速度的计算值与实验对比证明采用“纤维倾斜模型”准细观层次上数值模拟三维编织复合材料弹道侵彻过程的有效性和合理性：(3)这种单胞划分方法在其它增强形式的三维增强复合材料弹道侵彻过程计算中也有进行计算的可行性。 东华大学硕士研究生学位论文第六章结论61本文研究结论三维编织复合材料在弹道防护领域中的应用研究尚处于探索阶段，本文旨在进行这方面的尝试工作。本文主要通过对两种厚度Twaron。增强三维编织复合材料靶板的弹道试验，揭示三维编织复合材料在弹道冲击下的破坏形态和破坏模式，结合多层次破坏模式建立了有限元模型。本文还进行了模型精细化方面的尝试：根据“纤维倾斜模型”建立了准细观有限元模型。两个模型均模拟三维编织复合材料在弹体冲击下的弹道侵彻过程，并用弹道测试结果检验数值计算结果的准确性，得到以下主要结论：1．三维编织复合材料弹道冲击破坏形态在宏观上体现为纤维拉伸断裂、抽拔和基体开裂，破坏作用于局部，复合材料横向整体变形较小；细观上体现为材料正反面破坏形态的差异：正面纤维的断裂面较光滑，少部分纤维呈原纤化状态，反面纤维大量表现为纤维的原纤化。2．通过宏观和细观观测，三维编织复合材料弹道冲击破坏模式定为：正面以纤维的压缩、剪切破坏为主，反面以纤维的拉伸破坏为主。3．对靶板设计的建议：正面采用压缩、剪切刚度和强度高的材料，反面采用拉伸刚度和强度高、拉伸断裂应变大的纤维。4．模拟三维编织复合材料在弹道侵彻过程的有限元模型在涉及不同破坏模式时，沿材料厚度方向均匀剖分，在侵彻面的一半厚度用压剪破坏应变准则，在背面一半厚度用拉伸破坏应变准则。复合材料基本性质参数由高应交率下纤维的应力应变曲线、基体性质参数和纤维体积含量计算得到。5．运用“纤维倾斜模型”对三维编织复合材料进行准细观层次上模拟，将三维编织复合材料看成由四块倾斜的单向板构成。对其中一块单向板用有限元方法得到材料弹道侵彻性能的数值解，并根据能量守恒原理得到整个复合材料的最终弹道性能。复合材料基本性质参数由高应变率下纤维的应力应变曲线、基体性质参数和纤维体积含量计算得到，其中关于强度值的推算较为粗略。6．从靶体弹道侵彻破坏模拟图、弹体剩余速度的计算值与实验对比证明采用文中两种方案数值模拟三维编织复合材料弹道侵彻过程的有效性和合理性。 东华大学硕士研究生学位论文第六章结论6．2本课题进一步研究的建议目前本课题相关研究工作尚处于起始阶段，对该类材料弹道冲击破坏的进～步研究仍有很大的发展空间。基于对本课题研究中发现的难点和重点问题的理解，对更深入的研究有以下建议：1．弹道试验方面能够创造试验条件，得到更多中间信息，比如弹体速度一时间曲线、加速度一时间曲线等。这将有利于对材料弹道侵彻机理更透彻的理解，从而更好地模拟其弹道性能并对靶体材料和结构做出更好的设计。2．模型的进一步精细化是本课题的进一步研究方向之一。在这个问题中对三维编织结构材料力学性质的模拟是问题的关键，这可以通过两个方法解决：对三维增强结构的精确模拟，使纤维集合体的结构最大限度与物理结构相一致，使模型精细到纱线或纤维的层次上；或者创造实验条件，直接用试验方法获得材料的力学性质。3．多层次破坏模式的精细化也可作为研究方向。随着弹体在靶体中的行进，靶体材料的破坏呈现不同的形态，在物理实际中这是一个连续的变化过程。基于试验观测的基础上获得这个变化过程并建立模型模拟这一过程，使材料的破坏形态在时间上精确地靠近实际弹道侵彻过程。4．有限元方法被证明是分析此类问题的一个有效手段，建议选择适当有限元软件对该类问题分析建模。需要注意的是本课题靶体材料的特殊性，必要时建立特定材料模型以弥补软件材料库的不足。 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东华大学硕士研究生学位论文附：论文发袁情况附：论文发表情况1．徐静怡，顾伯洪，三维编织复合材料弹道冲击破坏形态及破坏模式，弹道学报，2002，V01．14No．2，39．432．徐静怡，顾伯洪，三维编织复合材料弹道侵彻破坏数值模拟，弹道学报，2002