碳纖維增強金屬復合材料目前是軍事航天領域輕質(zhì)防護結構的重點發(fā)展方向。本文針對洲際導彈和航天器的外部殼體在高速沖擊下的防護,設計了一種碳纖維增強金屬層合板(CRALL),通過彈道試驗和數(shù)值仿真研究了其在彈丸高速沖擊下的失效機理和彈道防護能力。本文首先通過材料測試獲得了單向碳纖維板在0°和90°方向上的力學性能,并對比碳纖維復合物(CFRP)、碳纖維增強鋁合金層合板(CRALL)和鋁合金Al2024-T3力學性能。通過彈道高速沖擊試驗,研究了三種彈頭(平頭,球頭和尖頭)沖擊侵徹下CFRP和CRALL靶板的變形過程、失效模式和彈道防護性能;通過實驗結果對比,CRALL靶板對平頭彈丸的抗沖擊性能最強,球頭和尖頭彈丸次之;在等厚度情況下兩種類型碳纖維增強鋁合金層合板結構(CRALL1/3和CRALL2/3)的針對三種頭部彈丸高速沖擊下彈道防護性能和能量吸收能力要高于CFRP。通過Fortran語言在Abaqus中編寫了適用于碳纖維復合物的三維實體單元沖擊失效用戶子程序(VUMAT)�；赩UMAT的數(shù)值仿真結果有效的模擬了CFRP的沖擊失效過程,并與實驗結果相符;在CFRP和CRALL的彈道沖擊模型中獲得的不同頭部形狀彈丸侵徹速度曲線和彈道極限與實驗結果相符,驗證了有限元模型和用戶子程序的有效性。本文的研究結果表明,CRALL層合板比碳纖維復合材料(CFRP)具有更優(yōu)的力學性能,在各層損傷、彈道極限以及能量吸收等抗沖擊能力方面更具優(yōu)勢。研究內(nèi)容為今后高速沖擊下輕質(zhì)防護結構的設計提供了理論基礎和參考作用,具有重要的工程應用價值。
【學位單位】：北京理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2016
【中圖分類】：TJ04;V445.1
【部分圖文】：

. 碳纖維增強復合材料工程應用背景.1.1. 碳纖維增強復合材料應用現(xiàn)狀在現(xiàn)今常用的復合材料中，碳纖維增強復合材料擁有十分優(yōu)異的力學性能，比模比強度都高于其他材料[1]。因此，在對結構剛度要求很高的場合中，碳纖維增強材料的應用非常廣泛。它廣泛應用于汽車工業(yè)、化紡機械、醫(yī)學、體育運動器材等民用領域；碳纖維復合材料在航空航天和軍事工業(yè)領域應用也十分廣泛，并且空航天四大材料（復合材料、鋁、鈦、鋼）的主要選材[2, 3]。如目前如航天飛機導彈殼體、宇宙探測器和衛(wèi)星等，普遍采用高強度碳纖維復合材料作為主承力件減重的效果，降低發(fā)射成本。目前由空客集團研制的超大型民用客機 A380 上共纖維等復合材料約 22 %，估計約為 36 噸[4]。復合材料層合結構的強度預測及失析是設計復合材料結構時所必需解決的關鍵問題，是安全、經(jīng)濟地應用復合材料提。保證航天器纖維結構在高速狀態(tài)下破片撞擊后的完整性和穩(wěn)定性至關重要對于碳纖維復合材料在高速沖擊條件下的力學響應和失效機理的研究尤為重要

CFRP 在戰(zhàn)斗機、轟炸機、直升飛機和無人飛機上的用量與日俱增，使能得到不斷提高。先進復合材料已成為研制先進戰(zhàn)機的材料基礎。美國最先進的戰(zhàn)機 F-22，CFRP 用量已達到 24%；英國“臺風”戰(zhàn)機 EP2000 復合材料用量高 %[5]。相比之下，我國戰(zhàn)機所用復合材料比較少，殲 7 Ⅲ 上復合材料用量僅為 2 % XX 為 6 %左右[5]。顯然，這與我國碳纖維的制造技術和復合技術水平息息相關

圖 1-2 美隱身轟炸機 B-2 復合材料應用部位碳纖維增強復合材料在固體火箭發(fā)動機上的應用普遍。主要應用在火箭發(fā)動部分和碳纖維殼體。在火箭發(fā)動機和噴管工作溫度在 3000℃以上，目前只有纖維材料才能承受這種高溫燒蝕[5]。此外大量采用碳纖維殼體替換鋼材，能射程。如美國“北極星”AI 型固體發(fā)動機第二級殼體采用 CFRP，射程提高0km[5]。

【參考文獻】

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本文編號：2825115