本文關鍵詞：柔性復合材料結(jié)構(gòu)超高速撞擊防護性能研究

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【摘要】：隨著人類航天活動的開展,高速增長的空間碎片對人類航天器威脅日增,而直徑小于1cm的碎片只能采用碎片防護結(jié)構(gòu)進行被動防護,柔性復合材料在發(fā)射時可柔性折疊,因而可利用較小發(fā)射體積發(fā)射更大面積的或具有更多屏的碎片防護結(jié)構(gòu),從而大大提高防護結(jié)構(gòu)的碎片撞擊防護效率和防護區(qū)域。本文對柔性復合材料的超高速撞擊防護性能進行了研究。首先,根據(jù)纖維材料耐折疊性能,選取芳綸纖維布及芳綸/環(huán)氧復合材料,制備了柔性復合材料防護屏,以傳統(tǒng)剛性材料防護屏-鋁合金防護屏作為對比,對柔性復合材料防護屏和傳統(tǒng)材料防護屏進行了超高速撞擊實驗測試,通過對防護屏在超高速撞擊后的破壞形貌、彈丸破碎程度、校驗板損傷程度等進行比較分析,評價了柔性復合材料防護屏的防護性能。結(jié)果表明,相同面密度的柔性復合材料防護屏與傳統(tǒng)鋁合金防護屏超高速撞擊防護性能相差不大,但柔性復合材料可柔性折疊發(fā)射,因此,在構(gòu)建大面積、多層防護屏方面,與傳統(tǒng)鋁合金防護屏相比,柔性復合材料防護屏具有不可比擬的優(yōu)勢。試驗測試了不同厚度芳綸纖維布和芳綸/環(huán)氧復合材料的超高速撞擊防護性能,得到了材料厚度對彈丸破碎程度及防護性能的影響規(guī)律,結(jié)果表明:隨著防護屏材料厚度增加,防護屏的超高速撞擊防護性能隨之提高。得到了環(huán)氧樹脂基體對防護屏材料破壞行為及超高速撞擊防護性能的影響,結(jié)果表明,少量環(huán)氧樹脂可提高其單位質(zhì)量防護性能,這可能是由于環(huán)氧樹脂對芳綸纖維布中的紗線有位置固定作用,防止了單純纖維布紗線在彈丸沖擊下的滑移,從而可提高其防護性能;環(huán)氧樹脂用量繼續(xù)提高,其防護性能提高不大,但其質(zhì)量則有顯著增大,因此,反而降低了芳綸纖維布的防護效率。其次,對芳綸/環(huán)氧樹脂復合材料和芳綸纖維布的多屏防護結(jié)構(gòu)進行了超高速撞擊試驗研究,并以鋁合金板、碳纖維/環(huán)氧復合材料為對照,對芳綸柔性復合材料與對照材料在超高速撞擊后的各屏損傷、出現(xiàn)損傷的防護屏數(shù)及彈丸穿過各屏后的破碎情況等進行了分析,對柔性復合材料與傳統(tǒng)材料多屏防護結(jié)構(gòu)的防護性能進行了綜合比較與評價。在超高速撞擊實驗研究基礎上,對柔性復合材料超高速撞擊行為進行數(shù)值模擬與分析。建立了柔性復合材料超高速撞擊分析模型,利用試驗測試結(jié)果,驗證了模型的正確性和有效性。利用分析模型,對不同厚度芳綸/環(huán)氧復合材料防護屏超高速撞擊行為進行了數(shù)值模擬,研究了撞擊后防護屏的損傷及彈丸的破碎情況和碎片剩余動能等,分析了防護屏厚度與防護性能的關系,結(jié)果表明:隨著防護屏材料厚度增加,防護屏的超高速撞擊防護性能隨之提高,而防護屏厚度小于2.6mm的時候,其防護性能隨厚度增加而提高的效果更為顯著;對不同速度彈丸與防護屏撞擊行為進行了數(shù)值模擬,分析了芳綸/環(huán)氧復合材料對不同速度彈丸撞擊的動能吸收率,得到了防護屏對不同速度彈丸的防護性能。對柔性復合材料多屏防護結(jié)構(gòu)與不同速度彈丸的撞擊進行了數(shù)值模擬,比較了柔性復合材料多屏防護結(jié)構(gòu)在不同速度下的防護性能,并分析了柔性復合材料多屏防護結(jié)構(gòu)對不同速度彈丸的防護機制,結(jié)果表明:柔性復合材料多屏防護結(jié)構(gòu)對1.5km/s以下的低速彈丸和4.5km/s以上的高速彈丸的撞擊具有更好的防護,這是由于:多屏柔性復合材料防護結(jié)構(gòu)對1.5km/s以下低速彈丸的撞擊動能吸收更好,而對4.5m/s以上的高速彈丸則具有更好的破碎效果。
【關鍵詞】：超高速撞擊 柔性復合材料 光滑粒子 芳綸/環(huán)氧復合材料 可折疊
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V528;V445.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 緒論10-21
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義10-11
• 1.2 超高速撞擊防護研究現(xiàn)狀11-19
• 1.2.1 空間碎片概述11-14
• 1.2.2 空間碎片防護結(jié)構(gòu)技術研究14-16
• 1.2.3 高速沖擊動力學發(fā)展概況16-18
• 1.2.4 超高速撞擊防護性能評價18-19
• 1.3 本文的主要研究內(nèi)容19-21
• 第2章 復合材料超高速撞擊實驗研究21-56
• 2.1 引言21
• 2.2 超高速撞擊實驗方案21-26
• 2.2.1 實驗材料21-23
• 2.2.2 實驗測試方案23-24
• 2.2.3 超高速撞擊實驗設備24-26
• 2.3 不同材料防護屏超高速撞擊實驗26-30
• 2.4 防護屏厚度對超高速撞擊損傷的影響30-42
• 2.4.1 芳綸/環(huán)氧復合材料撞擊實驗30-36
• 2.4.2 芳綸纖維布撞擊實驗36-41
• 2.4.3 芳綸/環(huán)氧復合材料與芳綸纖維布比較分析41-42
• 2.5 多屏防護結(jié)構(gòu)超高速撞擊實驗42-54
• 2.5.1 鋁合金多屏防護結(jié)構(gòu)撞擊實驗42-45
• 2.5.2 芳綸/環(huán)氧復合材料多屏防護結(jié)構(gòu)撞擊實驗45-48
• 2.5.3 碳纖維/環(huán)氧復合材料多屏防護結(jié)構(gòu)撞擊實驗48-50
• 2.5.4 芳綸纖維布多屏防護結(jié)構(gòu)撞擊實驗50-54
• 2.6 本章小結(jié)54-56
• 第3章 柔性復合材料超高速撞擊數(shù)值模擬56-75
• 3.1 引言56
• 3.2 柔性復合材料模型56-60
• 3.2.1 狀態(tài)方程56-58
• 3.2.2 材料強化模型58-60
• 3.2.3 失效模型60
• 3.3 有限元模型60-64
• 3.4 不同厚度下的復合材料超高速撞擊行為分析64-71
• 3.5 不同速度下的超高速撞擊行為分析71-74
• 3.6 本章小結(jié)74-75
• 第4章 多屏柔性復合材料結(jié)構(gòu)超高速撞擊數(shù)值模擬75-84
• 4.1 引言75
• 4.2 多屏撞擊數(shù)值模擬結(jié)果實驗驗證75-77
• 4.3 不同速度下超高速撞擊數(shù)值模擬分析77-83
• 4.3.1 彈丸速度為 1km/s時的撞擊模擬77-79
• 4.3.2 彈丸速度為 3.5km/s時的撞擊模擬79
• 4.3.3 彈丸速度為 8km/s時的撞擊模擬79-83
• 4.4 本章小結(jié)83-84
• 結(jié)論84-85
• 參考文獻85-90
• 致謝90

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本文編號：890900