【摘 要】
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由于纤维增强复合材料具有密度低、强度高和防弹性能优良的特点,因此在装甲防护等领域得到了广泛的应用。复合材料的弹道侵彻问题的理论分析和数值模拟中,涉及到复杂的本构模型
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由于纤维增强复合材料具有密度低、强度高和防弹性能优良的特点,因此在装甲防护等领域得到了广泛的应用。复合材料的弹道侵彻问题的理论分析和数值模拟中,涉及到复杂的本构模型、失效机理和破坏模式,因此研究难度较大。加强复合材料抗弹机理的研究以及预测弹体侵彻后复合材料靶板的失效模式和弹体的剩余速度等参数对于复合材料防护结构的设计具有重要意义。本文选取工程中广泛应用的碳纤维/环氧树脂织物层合板作为研究对象,研究了其在刚性弹体侵彻下的弹道性能和损伤特性。 首先,从能量守恒的角度出发,建立了碳纤维/环氧树脂织物层合板受到平头柱形弹侵彻的理论模型。假设弹体的动能通过三种不同的吸能机制,即动能转移、纤维失效和层合板压缩,被层合板吸收。通过对能量守恒方程进行空间积分,得到了弹体剩余速度的解析解。通过与文献中公开的试验数据的对比,验证了该理论模型的有效性。 其次,基于层合板的二维动态损伤本构模型,拓展得到了三维动态损伤本构模型。该本构模型可描述不同损伤模式的损伤萌生准则,从断裂能的角度将材料的损伤演化行为定义为线性软化,并考虑了应变率效应对材料的模量和强度的影响。 最后,应用通用有限元软件Abaqus中基于冲击动力学的数值方法研究了复合材料层合板的弹道侵彻问题。复合材料层合板用Abaqus中的三维实体单元来模拟,三维动态损伤本构模型用Abaqus中的用户材料子程序 VUMAT来实现。数值计算的结果与文献中的试验数据吻合较好。通过数值计算详细讨论了不同弹体形状、弹体直径、层合板厚度和侵彻角度对复合材料层合板的弹道性能和损伤特性的影响。
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