多次冲击下泡沫铝动态压缩力学性能试验与本构模型研究

基于分离式霍普金森压杆装置对泡沫铝试样进行多次冲击加载试验,研究泡沫铝在中低应变率下的动态压缩力学性能。通过分析泡沫铝破坏形貌、透波率、应力-应变曲线以及能量吸收效率随冲击加载次数的变化规律,研究了损伤累积对材料动态力学性能以及吸能特性的影响机理。试验结果表明：随着冲击次数的增加,泡沫铝内部胞孔结构逐步崩溃压实,对应力波的衰减作用减弱,弹性极限应力及对应应变均有增强效应,且多次冲击下的损伤累积效应有助于提高理想吸能效率。基于试验所得应力-应变曲线,将损伤累积变量引入Sherwood-Frost方程,建立泡沫铝材料多次冲击下损伤累积本构模型,分析了形状函数参考曲线对应损伤累积能量与多次冲击试验损伤累积能量差值对本构模型准确性的影响,并进行了试验验证。     

聚碳酸酯冲击力学响应规律及防暴性能研究

对聚碳酸酯的冲击力学性能进行研究,分析其破坏和防护机理,并对防暴性能进行研究。结果表明:聚碳酸酯的压缩应力-应变曲线分为弹性区和屈服区;聚碳酸酯表现出明显的应变率强化效应,其压缩强度和吸能能力随着应变率的增加而增大;低温条件下聚碳酸酯冲击韧性大幅下降,出现脆性断裂,防暴能力有所下降;聚碳酸酯的冲击韧性较好,在受到冲击时可以发生变形并吸收冲击能量,且冲击失效应变较大,因此可以很好地应用在防暴领域。     

混杂纤维轻骨料混凝土冲击性能试验研究

为研究高强高性能混杂纤维轻骨料混凝土的冲击动力性能,首先介绍了其配合比和优良的静力力学性能,然后对其进行了分离式Hopkinson压杆冲击试验,得到了其受一次、多次冲击后的破坏现象和受力特点,分析了应变速率对其力学性能的影响。结果表明,混杂纤维轻骨料混凝土是一种应变速率敏感材料,其应变速率效应比普通混凝土的要高。在高应变速率时其动力力学性能得到明显改善,适合用于抗爆炸、冲击材料。     

准静态及动态载荷加载下聚脲材料的力学性能

为分析聚脲材料在准静态及动态载荷加载下的力学性能变化规律,开展了霍普金森压杆冲击试验研究.利用万能材料试验机和霍普金森杆对聚脲材料进行力学性能测试,获得各应变率下材料应力-应变曲线,结果表明:准静态载荷加载下的聚脲材料切线模量随着应变的增大而呈现类似指数函数增长趋势,动态载荷加载下呈现类似线性降低趋势;随着应变率的增加,聚脲材料强度(拉伸强度和屈服强度)、断裂能逐渐增加.由此可见:聚脲材料具有显著的应变率效应;聚脲材料高应变率载荷加载下的"递减硬化"特性与聚脲抗爆、抗冲击特性密切相关;从低应变率到高应变率加载,聚脲材料存在有橡胶态到玻璃态的转变,强度显著增强.     

碳纤维复合材料层合板低速冲击损伤特性研究

以碳纤维复合材料层合板为研究对象,针对低速冲击损伤进行落球低速冲击数值模拟与试验研究,用三维Hash-in失效准则与内聚力单元相结合分析3种不同冲击能量下层合板的损伤演化规律,在试验过程中引入数字图像技术(digital image correlation,DIC)对冲击过程进行实时监测.结果表明:碳纤维复合材料层合板的损伤面积随低速冲击能量增加而增大,低能量以基体开裂为主,高能量以基体开裂和分层为主.用DIC技术得到层合板损伤表面应变规律和集中分布区,与数值模拟结果相验证,误差小于5％.     

基于Taylor杆的Ti-5553钛合金动态特性研究

利用Taylor杆冲击实验与数值模拟方法研究了Ti-5553钛合金在高应变率冲击下的动态行为。Ti-5553合金在两种热处理工艺处理后获得了不同准静态力学性能的等轴组织和双态组织。在泰勒杆冲击实验的基础上,应用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件研究了材料参数屈服强度值σ_s和失效应变值ε_f的变化对Taylor杆冲击能量、速度、加速度等过程参量和冲击结果的影响,将σ_s值设定为1 170~1 400 MPa,ε_f设定为0.1~0.8. 研究结果表明：屈服强度值的变化对冲击前后能量、速度、加速度的改变量影响较小。随着屈服强度值的增大,冲击过程中能量、速度、加速度的变化速率有所增加,冲击后试样的应变量减小;失效应变值的变化对冲击过程量有明显影响;对等轴组织钛合金,ε_f<0.7时,随着失效应变值的增大,能量、速度、加速度的变化速率逐渐增大,试样冲击后几乎无回弹现象;当ε_f ≥0.7时,过程参量曲线全部重合,试样冲击后有明显回弹现象;当设定ε_f =0.75和ε_f =0.35时,等轴组织和双态组织钛合金分别符合真实Taylor杆冲击变形特征。     

陶瓷导弹天线罩静热试验失效分析方法

针对陶瓷导弹天线罩静热试验中失效评估的技术难点,本文介绍了基于宏观断裂形貌分析、断裂过程的声发射和高速摄像监测、陶瓷罩体表面位移/应变测试,以及失效形式的仿真分析等多种失效分析方法、分析流程及其试验应用案例,并指出了各种分析技术的发展方向。     

7055-T6I4铝合金动态冲击性能及显微组织演变分析

旨在填补7055铝合金宽温度和宽应变率范围动态冲击的显微组织演变机制的不足,基于较宽温度和应变率范围的霍普金森压杆动态冲击试验,对7055铝合金动态力学性能及动态冲击后试样的SEM和TEM显微组织进行研究,分析温度和动态冲击应变率对7055铝合金组织与性能的影响。结果表明:低温环境下,随着应变率不断增大,7055铝合金的金相组织演变过程均存在绝热剪切带,其内部存在汇聚型微裂纹;随着温度升高,7055铝合金的动态冲击变形组织并未呈明显绝热剪切带,多以扭曲形变带形式存在;温度低于220℃,7055铝合金的TEM显微组织主要以不稳定的η′析出相为主,其数量和密度与温度有明显负相关。     

承载抗冲击部件用改性POM动态压缩性能研究

针对改性POM承载部件在极端环境抗冲击服役条件下的应用,基于SHPB动态压缩实验技术,对改性POM材料在-40~70℃试验温度条件下的动态压缩力学性能进行试验研究,动态压缩试验在800、1 400、2 300、3 100 s-1的应变率下开展。研究发现:热塑性改性POM工程塑料的最大压缩应力随应变率的提升而增大,力学性能具有显著的应变率效应,且高温下更明显;在实验温度范围内改性POM的力学行为呈现出高速韧性;在1 400、2 300、3 100 s-1应变率下,材料在-40℃的最大压缩应力比70℃提高约16.0%、18.1%和11.3%,而对应失效应变明显减小,改性POM材料的力学性能呈现出显著的温度依赖性。     

锆基非晶活性材料动态力学性能及本构关系

为了获得新型锆基非晶活性材料在动态加载条件下的力学性能及本构关系,采用压力渗透铸造法制备得到锆基非晶活性材料样品,借助分离式霍普金森压杆实验测量系统对其进行了不同应变率加载条件下的动态压缩实验,获得了应变率在300～1600 s-1范围内材料的应力-应变曲线,利用高速摄影观察记录了不同应变率条件下试件的破碎以及释能过程.结果表明:锆基非晶活性材料性能表现为脆性材料特征,应力-应变曲线不存在屈服阶段,且当应变率由947 s-1上升至1587 s-1时,材料抗压强度由2.71 GPa上升至2.78 GPa,增幅较小,约为2.6％,而断裂应变由0.032下降至0.028,下降12.5％;材料的破碎程度以及释能反应现象随应变率增加较为明显,当加载应变率较大时,材料破碎过程中存在应变软化现象;根据实验数据,拟合得到了锆基非晶活性材料断裂失效前的一维弹脆性损伤动态本构方程.     

橡皮弹对生物钝击损伤效应试验研究

为探究橡皮弹打击下生物损伤机制，开展橡皮弹打击生物损伤效应弹道试验。以生物的伤情特征和行为反应为表征量，分析了橡皮弹的速度、硬度、口径对生物损伤效应的影响。结果表明：生物皮肤伤情特征以皮损、苍白和红晕为主，红晕区与苍白区存在明显不连续间断，皮损区和苍白区形成与弹头剪切作用有关，红晕区由皮肤压缩和拉伸变形协同造成；同种橡皮弹打击生物胸腹部，随着速度的增加，皮肤伤情变得严重，但皮损区直径几乎不变；橡皮弹打击生物胸部，单一变量法分析造成皮肤可见伤情（指皮损、红晕或苍白，下同）所需的比动能，70 HA硬度橡皮弹＜45 HA 硬度橡皮弹＜20 HA硬度橡皮弹，32 mm口径橡皮弹＜16 mm口径橡皮弹＜8 mm口径橡皮弹，即橡皮弹硬度和口径越大，造成皮肤可见伤情所需比动能越小，同时口径越大，造成持续尖叫、惊跳或意图逃跑等生物明显异常行为反应所需比动能越小；50%明显异常行为反应风险概率的比动能高于50%皮肤可见伤情风险概率的比动能。     

轻型陶瓷/金属复合装甲抗弹机理研究

为探讨轻型陶瓷复合装甲抗弹机理,采用弹道冲击试验研究了高速破片冲击下轻型陶瓷/金属复合装甲的冲击响应,对弹体、陶瓷面板及金属背板的破坏现象进行了物理描述和唯象分析,指出了陶瓷面板和金属背板的破坏模式,分析了陶瓷/金属复合装甲的弹道吸能机理及抗弹性能。结果表明,锥形碎裂是陶瓷面板的主要破坏模式,其宏观裂纹主要有：径向、环向及与初始表面法线方向约65°夹角向外扩展的锥形裂纹;此外还会形成与背表面法线间的夹角约为65°的倒锥形断裂面。背板的变形范围、破坏程度及破坏模式均与船用钢靶板有较大区别,当弹速低于靶板弹道极限时,背板变形模式为隆起-碟型变形,当弹速大于靶板弹道极限时,随着陶瓷面板相对厚度的增加,金属背板的破坏失效模式有：剪切冲塞失效、碟型变形-剪切-花瓣型失效、碟型变形-花瓣型失效;弹体动能主要耗散在弹体和背板的破坏与变形;弹道极限速度附近,弹体和金属背板破坏吸能量会由于陶瓷面板的相对厚度不同而不同,但他们的总吸能量可占弹体初始冲击动能的90%以上,而陶瓷面板碎裂及反冲击方向喷射的动能小于弹体初始冲击动能的10%。     

UHMWPE板对平头和卵形弹撞击试验研究

为研究超高分子聚乙烯板的抗冲击性能,以不同厚度超高分子量聚乙烯平板为靶体,用一级轻气炮分别发射平头和卵形弹开展打靶试验。通过分析靶板厚度、弹体头部形状对靶板弹道极限及能量吸收的影响,分析靶板损伤形貌及机理特征。结果表明:随靶板厚度增加,弹道极限非线性递增;弹体头部形状对弹道极限影响明显;卵形弹撞击靶板时破坏由"盘形凹陷"转为"延性扩孔"。随弹体初始动能增大,头部形状对靶板能量吸收率的影响越来越显著。平头弹侵彻靶板过程为先延性扩孔侵彻,压缩弹体前方靶材料,弹体周围剪切变形,最终形成冲塞和弹出。     

钨锆铪活性合金破片冲击释能行为实验研究

为研究活性合金材料的冲击释能行为,采用弹道枪驱动一种高强度、高密度的钨锆铪活性合金破片,使其以不同着速撞击Q235钢靶,通过观察靶板穿孔模式和靶后冲击释能火光区的高速摄影图像,提出合金类破片冲击释能的3阶段模型,即冲击激活阶段、自蔓延释能阶段、自激活阶段。结合应力波、热应力理论和冲击温升方程,获得该破片能量的激活门限、能量完全释放的临界条件、释能火光区的最大尺寸及其靶后有效毁伤距离。研究结果表明：钨锆铪活性合金破片不仅具有类似惰性破片的动能毁伤能力,而且在穿靶前活性能耗极小,活性能量在穿靶后毫秒量级内完全释放;破片活性能量被完全激活前,释能火光区的最大毁伤容积和有效毁伤距离分别随破片着速的提高呈指数和线性增长趋势。     

防弹玻璃动态力学响应规律及抗弹性能研究

采用霍普金森压杆对防弹玻璃进行动态压缩实验,分析其破坏机理和防护机理,并通过靶试试验研究PVB夹层防弹玻璃的抗弹性能。结果表明：玻璃的压缩强度随应变率的增加而增大,但压缩失效应变随应变率的增大而减小;胶层可以有效提高玻璃的动态失效应变,使玻璃的吸能能力大幅提高;玻璃的动态强度随试样厚度的增加而提高,动态失效应变随试样的横截面积的增加而升高;玻璃在冲击载荷下出现大量裂纹并粉碎破坏,需要消耗大量能量作为表面能,从而能够有效消耗子弹的能量;PVB夹层防弹玻璃具有较强的防弹性能,且当迎弹层较厚时弹坑深度较浅。     

低速枪弹对有生目标作用效果的试验研究

通过试验获得了圆头弹、锥形弹、球形钢珠和圆柱空心弹在不同入靶速度、动能、比动能时生物靶标伤道深度、创伤现象与变化规律.试验表明:不同入靶速度、动能、形状、质量的4.5～7.62 mm口径的枪弹在比动能小于10.0J/cm2时,弹头未完全侵入生物靶标皮肤,基于这一结果,提出了一套低速枪弹比动能致伤判据和最小阈值,为认识低速弹致伤机理、发展非致命枪械和制定枪械杀伤力刑事科学技术鉴定标准提供了科学依据.     

弹头角速度与侵彻倾角对铝合金薄板损伤分析

快凝耐热铝合金已广泛应用于水陆两栖装甲车与轻型装甲侦察车车身等结构,由于车身铝合金材质的薄弱部件易受子弹撞击,导致车身关键部位所受损伤与破坏问题较为严重,因此有必要对铝合金薄板被子弹击穿时的损伤特性开展研究。本文通过ABAQUS仿真平台建立铝合金薄板与子弹弹头的显式动力学模型,研究了7.62 mm与9 mm两种不同口径的子弹弹头侵彻倾角、弹头自身角速度等参数对高强度铝合金薄板的损伤特性。结果表明:在相同侵彻倾角与子弹初速与角速度的情况下,9 mm子弹弹头对铝合金薄板造成的损伤程度更大,使薄板受到更大冲击; 7.62 mm子弹弹头对铝合金薄板的侵彻力度更大,有更好的贯穿特性; 随着子弹角速度的增加,两种型号子弹弹头对铝合金薄板破坏程度先增大后减小,角速度为2 000 rad/s时达到临界值; 侵彻倾角影响矩形模板破坏程度,但该影响存在临界值,到达临界值前,子弹穿透能力较小; 到达临界值后,继续增大倾角不再增大穿透能力; 同时随着倾角的增大,9 mm子弹弹头对铝合金薄板生成的动能总体均先增大后减小,倾角为45°时对矩形模板产生的动能最大。     

弹丸低速贯穿纤维与金属组合薄靶板的试验研究

为研究半穿甲战斗部动能侵彻下舰船舷侧复合装甲结构的抗穿甲机理,以均质钢板前置复合材料板模拟舰船舷侧复合装甲结构,采用低速弹道冲击试验,研究了结构的典型破坏模式和吸能机理,分析了前置复合装甲板的面密度对组合结构靶板整体抗穿甲性能的影响。在此基础上,根据靶板的破坏模式,得到了球头弹丸低速贯穿组合靶板的剩余速度预测公式。结果表明,组合靶板在弹丸低速冲击下主要呈现局部破坏,前置复合装甲板的破坏模式主要为纤维拉伸断裂,迎弹面存在少量的纤维剪切断裂,而钢质背板则主要呈现花瓣开裂破坏;组合靶板的整体抗弹性能随前置复合装甲板面密度的增加而提高;将理论预测剩余速度值与实验结果进行了比较,二者吻合较好。     

新型超高分子量聚乙烯膜材料防弹性能及机理

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）膜材料是近年来出现的新型防弹材料,具有与UHMWPE防弹无纬布不同的结构形式。采用1.1 g标准模拟破片、51式7.62 mm钢被甲铅芯弹和9 mm巴拉贝鲁姆铜被甲铅芯弹,对两类UHMWPE材料叠层靶片进行射击试验,研究两类材料的分子量、结晶度、力学特征以及防弹效能系数对其弹道极限v₅₀值、比吸能值和凹陷深度方面的影响,对其防弹性能进行理论分析,并结合弹着点形貌,对比研究了两类材料的防弹机理。结果表明：两类材料的分子量、结晶度、拉伸强度以及拉伸模量与其防弹性能呈正相关,较小的断裂伸长率更有利于减小凹陷深度;膜材料的条带结构更有利于材料承载应力、能量传播和能量耗散。因此,UHMWPE膜材料在弹道防护领域将具有很好的应用前景。     

防弹玻璃在子弹冲击下的数值模拟研究

为研究防弹玻璃对步枪子弹的防护能力,建立了精细化的防弹玻璃数值模拟方法,分析了多层材料层合而成的防弹玻璃在7.62mm步枪子弹打击下的动力学响应与毁伤机理;通过子弹打击防弹玻璃的试验获得了防弹玻璃的破坏过程,验证了防弹玻璃侵彻毁伤及防护机理。研究表明:文章所用数值模拟方法可准确的描述子弹对防弹玻璃的复杂侵彻过程,可在未来提高防弹玻璃的设计效率。