C-SiC復(fù)合材料抗沖擊特性及其數(shù)值模擬中的核心算法研究.pdf

1、隨著“防-隔熱與結(jié)構(gòu)一體化”先進(jìn)設(shè)計(jì)理念的提出，飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)在高溫、微流星體等復(fù)雜服役環(huán)境下的整體抗沖擊性能正在受到各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家的重視。平紋編織C/SiC復(fù)合材料(2D-C/SiC)克服了傳統(tǒng)陶瓷材料脆性大和可靠性差的弱點(diǎn)，具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、抗氧化和低密度等諸多優(yōu)點(diǎn)，在熱防護(hù)領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。因此開(kāi)展2D-C/SiC材料的抗沖擊性能試驗(yàn)和仿真計(jì)算研究，較好地描述材料在惡劣環(huán)境下的力學(xué)行為，為該材料的推廣應(yīng)用具有重要

2、的工程意義。然而，2D-C/SiC材料在高速?zèng)_擊載荷作用下典型粉末化破壞行為的數(shù)值仿真對(duì)計(jì)算工具提出了挑戰(zhàn)。無(wú)網(wǎng)格SPH方法利用一系列離散分布的粒子表示整個(gè)物理模型，粒子之間不需要網(wǎng)格進(jìn)行連接，在具有自由表面、可變性邊界、沖擊、爆炸等動(dòng)態(tài)大變形問(wèn)題中具有明顯優(yōu)勢(shì)。但是，SPH方法自身仍然存在一定的數(shù)值缺陷，改進(jìn)和發(fā)展具有快速高精度的計(jì)算方法理論體系，對(duì)準(zhǔn)確描述材料的力學(xué)行為以及損傷破壞過(guò)程是至關(guān)重要的。
　　本文的研究工作主要圍繞

3、2D-C/SiC復(fù)合材料展開(kāi)，通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值研究分析了平紋編織C/SiC復(fù)合材料的高溫高速抗沖擊特性，同時(shí)針對(duì)數(shù)值模擬中所采用的核心計(jì)算方法(SPH)的廣義形式(有限粒子法FPM)進(jìn)行了理論改進(jìn)研究。主要內(nèi)容如下：
　　1、分別基于空氣炮、電炮加載裝置及自主設(shè)計(jì)的同步加熱-冷卻實(shí)驗(yàn)裝置完成了2D-C/SiC復(fù)合材料在室溫及高溫耦合環(huán)境下沖擊速度79m/s~219m/s范圍內(nèi)的鋼球沖擊實(shí)驗(yàn)及室溫環(huán)境下沖擊速度3400m/s~9300

4、m/s范圍內(nèi)的Mylar飛片撞擊實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用高速攝影儀記錄了沖擊過(guò)程中碎片云的發(fā)展形態(tài)；利用PMI泡沫板對(duì)碎片進(jìn)行了收集，分析了碎片云結(jié)構(gòu)；利用全光纖位移干涉儀記錄了試樣背部的自由面速度歷程；利用超聲波掃描儀對(duì)沖擊后試樣的內(nèi)部損傷進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)。
　　2、基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)2D-C/SiC材料在沖擊載荷作用下的損傷演化過(guò)程和破壞機(jī)理進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：(1)在沖擊載荷作用下，2D-C/SiC材料主要存在四種能量轉(zhuǎn)化

5、形式，即材料分層、纖維斷裂、基體粉化和碎片剝落，其中中間兩種為2D-C/SiC材料的主要沖擊損傷模式；(2)室溫環(huán)境下，厚度3mm的2D-C/SiC薄板的臨界穿透能量為2.66J，材料損傷面積呈現(xiàn)“三階段”變化趨勢(shì)，即陡增段、線性段和平穩(wěn)段；(3)當(dāng)沖擊能量約為13J時(shí)，室溫環(huán)境和高溫環(huán)境下?lián)p傷面積的變化趨勢(shì)存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)。對(duì)于低能沖擊，高溫環(huán)境下2D-C/SiC臨界穿透能量更高；隨著沖擊能量逐漸增加，高溫環(huán)境下2D-C/SiC材料損傷面積

6、會(huì)迅速增大。
　　3、基于Autodyn商用軟件正交各向異性材料本構(gòu)模型，推導(dǎo)了用于描述2D-C/SiC材料沖擊響應(yīng)的材料參數(shù)。分別在低速?zèng)_擊與超高速?zèng)_擊數(shù)值模擬中，針對(duì)碎片云團(tuán)結(jié)構(gòu)、碎片云團(tuán)軸向速度、損傷破壞模式及靶板自由面速度四個(gè)方面與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行合理性和準(zhǔn)確性的對(duì)比驗(yàn)證。針對(duì)球形彈丸撞擊情形，根據(jù)2D-C/SiC碎片云團(tuán)特點(diǎn)，選取彈丸剩余速度、碎片云軸向平均速度及分散角作為主要表征參數(shù)，并以球形彈丸-薄板撞擊模型為對(duì)象，對(duì)多

7、種工況下C/SiC面板的抗沖擊性能進(jìn)行了規(guī)律分析和評(píng)估，獲取了鋼彈丸沖擊C/SiC材料的極限侵徹深度預(yù)測(cè)公式；針對(duì)飛片撞擊情形，得到了飛片的極限直徑、靶板的極限厚度等計(jì)算結(jié)果；針對(duì)雙層板模型，對(duì)C/SiC與鋁板在鋁球沖擊下的碎片云形態(tài)進(jìn)行了模擬比較，發(fā)現(xiàn)了C/SiC碎片云具有明顯的尖端高能區(qū)域，并指出此尖端區(qū)域會(huì)對(duì)機(jī)體造成主要威脅。
　　4、深入分析了一種廣義的SPH方法——有限粒子法(Finite Particle Method

8、，F(xiàn)PM)的基本理論，通過(guò)數(shù)值算例說(shuō)明了FPM方法邊界計(jì)算精度高、基函數(shù)選取自由等數(shù)值優(yōu)勢(shì)，指出了該方法存在計(jì)算不穩(wěn)定和計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)的數(shù)值缺陷。
　　5、針對(duì)FPM方法上述不足，基于Taylor級(jí)數(shù)、矩陣分解理論，建立了一套FPM改進(jìn)算法理論體系，推導(dǎo)得出了一維和二維情形下，特殊格式的SFPM(Specified Finite Particle Method)方法和廣義格式的GFPM(Generalized Finite Parti