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纖維增強樹脂基復合材料層合板抗侵徹性能數(shù)值模擬研究

  評論:0 條   查看:0 次   gqgmzhang 發(fā)表于 2016-02-19 19:09

 【摘要】：本文對纖維增強樹脂基(Fibre-Reinforced Plastics or FRP)復合材料的抗彈性能進行了較為系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究。在分析前人研究工作的基礎上,提出了纖維增強樹脂基復合材料動態(tài)漸進損傷本構模型,利用ABAQUS/VUMAT嵌入了所提出的FRP復合材料本構關系,并對FRP層合板及其結構進行了數(shù)值模擬研究,本文主要包括以下幾個方面的內(nèi)容： 1.提出了纖維增強樹脂基復合材料層合板在沖擊載荷作用下的漸進損傷本構模型。該模型是建立在連續(xù)損傷力學基礎上的,并且假定可分為兩個階段,即損傷發(fā)生前的線彈性硬化階段和損傷發(fā)生后的損傷軟化階段。FRP材料不同形式的破壞是通過二次形式的應力失效準則來描述的,如纖維的拉伸斷裂、壓縮失效、基體的開裂、層間剪切、厚度方向上的壓潰失效以及層間分層。在失效準則中,考慮了厚度方向上的剪應力以及正應力對不同失效模式的影響,同時認為層間分層破壞不僅發(fā)生在層間正應力為拉應力的情況下,而且當層間正應力為壓應力但剪切應力足夠大的情況下也有可能發(fā)生。 模型認為材料滿足失效準則后,損傷逐漸積累,剛度逐漸縮減直至達到最終破壞。通過引入損傷因子來描述材料剛度隨不同形式損傷發(fā)展的衰減程度。提出了兩種不同的損傷軟化形式,一種為指數(shù)形式,一種為線性形式,兩者都通過相應的損傷變量來控制材料剛度受損傷積累而下降的快慢。前者通過應力-應變關系描述,后者則通過引入斷裂能的概念,利用應力-位移關系來描述材料的本構方程,從而在一定程度上降低了有限元模型由于應變集中而造成的網(wǎng)格依賴性,并舉例對模型的網(wǎng)格依賴性作了對比分析。 模型通過引入動態(tài)增強因子的概念,通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方法在統(tǒng)一框架內(nèi)描述了材料的強度和模量的應變率效應。 2.利用ABAQUS/VUMAT將所提出的模型通過用戶自定義子程序VUMAT嵌入到AbBAQUS/Explicit有限元程序,對FRP層合板在彈丸作用下的響應和破壞(穿透)進行了數(shù)值模擬研究。包括平頭彈以及非平頭彈(如錐頭彈、球頭彈、卵形彈等),復合材料層合板,包括CFRP、GFRP、KFRP層合板等。數(shù)值模擬計算結果與實驗所得到的變形形貌、殘余速度、彈道極限以及載荷-位移曲線等與相關實驗數(shù)據(jù)作了比較,二者吻合較好,表明本文所建立的模型具有一定的預測性和可靠性。 3.利用所提出的FRP復合材料動態(tài)漸進損傷本構模型數(shù)值模擬研究了曲率對于FRP復合材料層合板抗彈性能的影響,以及不同材料組合形式的復合板的彈道極限。結果表明：曲率的存在提高了FRP層合板的彈道極限且當FRP層合板的曲率為5.0m-1時彈道極限最高；以鋁合金、GFRP、KFRP復合材料為單層板組合時,按照Aluminum-GFRP-KFRP順序組合的多層板彈道極限最高。 4.對PASGT頭盔在碎片模擬彈(Fragment Simulating Projectile or FSP)撞擊下的響應進行了數(shù)值模擬,建立了頭部較為詳細的有限元模型,其中包括頭皮、顱骨、腦脊液以及腦組織等。研究了碎片模擬彈撞擊頭部不同部位(如前額、頂部、枕部、兩側(cè))時頭盔以及頭內(nèi)部各部分的響應和損傷。結果表明：當碎片模擬彈撞擊頭盔前額部位時,頭內(nèi)部所承受的應力最大、壓力最小,受到的傷害風險也最��；而當碎片模擬彈撞擊頭盔頂部位置時,頭內(nèi)部所承受的應力最大、壓力最大,受到傷害的風險最大；隨著彈丸沖擊角度的增大(從斜撞擊到正撞擊),顱骨所受的最大應力以及腦組織的最大壓力不斷增大,頭部受損傷的風險也隨之增大。

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