三维编织复合材料弹道侵彻破坏—准细观层次精细化模型和有限元计算

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三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,因而其具有更高的冲击损伤容限。由于该类复合材料细观结构的复杂性,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对防弹复合材料的结构设计具有重要的实际意义和理论价值。 本文主要在考察三维编织复合材料细观结构的基础上,用三维纺织结构复合材料的“纤维倾斜模型”的基本思想在准细观结构层次上分解三维编织复合材料,然后建立与三维编织复合材料具有相同纤维体积含量的单向板细观模型。用动态显式算法有限元程序模拟倾斜单向板弹道侵彻破坏过程,并得到弹体贯穿靶体后的剩余速度和靶体变形形态。计算结果与弹道测试结果的比较证明在三维编织复合材料准细观结构简化方案基础上的精细模型计算三维编织复合材料弹道冲击性能的有效性。并根据此模型讨论靶板破坏方式和破坏机理。 主要结论有:(1)基于三维编织复合材料的真实结构,在准细观层次上建立精细化弹道冲击有限元模型。在计算机计算性能允许的范围内,使复合材料模型的结构最大限度地和其真实的物理结构相一致;(2)从弹体剩余速度、靶板变形、弹孔形状等方面与试验结果进行比较,说明基于复合材料真实结构的有限元模型准确有效地模拟了三维编织复合材料的弹道贯穿过程;(3)从靶板变形过程、纤维束受力变形过程、弹体剩余速度变化图、弹体加速度变化图、弹体能量变化图等计算结果分析靶板受冲击过程,并根据此模型讨论、分析靶板破坏方式和破坏机理:(4)对基于连续介质的靶板模型和本文的精细模型的计算结果进行比较,说明本文精细模型的先进性,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。
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