玄武巖纖維-泡沫鋁復(fù)合板的沖擊力學(xué)行為研究.pdf

1、本文立足于艦船輕量化工程，將連續(xù)玄武巖纖維（Continuous Basalt Fiber-CBF）復(fù)合材料板與球體開孔泡沫鋁制備成具備質(zhì)量輕、抗沖擊、吸能性好等特點(diǎn)的新型復(fù)合板，并對CBF復(fù)合材料板、球體開孔泡沫鋁及其復(fù)合板的靜動態(tài)性能及沖擊性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，從而為艦船輕量化結(jié)構(gòu)對功能一體化板的設(shè)計(jì)提供參考。本文的研究工作主要包括以下幾點(diǎn)：
　　1．對用于研究材料動態(tài)性能的霍普金森桿實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)。提出了空心錐沖擊桿抑制入

2、射波彌散效應(yīng)方法，通過數(shù)值仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法可以有效的抑制霍普金森壓桿中入射波的彌散效應(yīng)；對自行研制的雙氣室沖擊拉伸裝置中應(yīng)力波的傳播效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真研究，論證了實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的合理性和可靠性；對霍普金森壓桿進(jìn)行了侵徹實(shí)驗(yàn)的改造，使其可以完成復(fù)合板的侵徹實(shí)驗(yàn)，并采用在沖擊點(diǎn)附近粘貼應(yīng)變花的方法評估彈體的侵徹效果。
　　2．對兩種不同工藝制備的CBF復(fù)合材料板力學(xué)性能及損傷進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。利用真空輔助成型工藝制

3、備了CBF復(fù)合材料板，對其靜力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行了測試分析，并采用聲發(fā)射技術(shù)，對不同鋪層角度復(fù)合材料板拉伸時的損傷破壞進(jìn)行了聲發(fā)射監(jiān)測和分析；對模壓工藝制備的CBF復(fù)合材料板的靜動態(tài)性能進(jìn)行了測試分析，得到了材料在不同應(yīng)變率下拉伸和壓縮的率相關(guān)特性，并采用聲發(fā)射技術(shù)對模壓工藝復(fù)合材料板拉伸時的聲發(fā)射現(xiàn)象進(jìn)行了監(jiān)測和損傷分析。研究結(jié)果表明 CBF復(fù)合材料板在拉伸時具有很好的聲發(fā)射信號特征，適合于聲發(fā)射的在線監(jiān)測。
　　3．對球體開孔泡沫鋁的

4、靜動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行研究。通過壓縮試驗(yàn)，研究了球體開孔泡沫鋁的厚度H、橫向尺寸L、球體直徑D等尺寸變化對其靜態(tài)壓縮性能的影響，結(jié)果表明當(dāng)厚度H一定，L/D大于7時，材料的壓縮屈服強(qiáng)度趨于穩(wěn)定；根據(jù)泡沫鋁的經(jīng)驗(yàn)型本構(gòu)關(guān)系，給出了不同厚度和相對密度下球體開孔泡沫鋁的本構(gòu)方程，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，結(jié)果表明，所得到的經(jīng)驗(yàn)型本構(gòu)具有很好的適用性；利用霍普金森壓桿研究了球體開孔泡沫鋁在不同應(yīng)變率下的動態(tài)響應(yīng)，結(jié)果表明該種泡沫鋁具有明顯的率相關(guān)性，但隨著

5、高度的增加而減小，其原因在于當(dāng)泡沫鋁厚度較小時，其變形具有整體性，而當(dāng)泡沫鋁的厚度較大時，其變形模式為從加載端逐層壓縮變形。
　　4．對CBF/泡沫鋁/CBF復(fù)合板的沖擊性能進(jìn)行了研究。對比分析了泡沫鋁芯層厚度變化對CBF/泡沫鋁/CBF復(fù)合板靜動態(tài)壓縮性能及變形模式的影響；研究了CBF復(fù)合材料板及CBF/泡沫鋁/CBF復(fù)合板的抗沖擊性能及破壞模式，測試了不同彈體沖擊速度下CBF復(fù)合材料板和CBF/泡沫鋁/CBF復(fù)合板在監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)

6、變-時間曲線，通過監(jiān)測點(diǎn)各方向動態(tài)應(yīng)變響應(yīng)特征分析，對它們的抗沖擊性能進(jìn)行了定性評價。
　　5．采用真空負(fù)壓工藝制備了CBF/陶瓷/泡沫鋁/CBF復(fù)合板，利用理論分析和數(shù)值仿真的方法分析了應(yīng)力波在復(fù)合板中的傳播特點(diǎn)，結(jié)果表明該復(fù)合板對應(yīng)力波所產(chǎn)生的力學(xué)參量具有大幅衰減作用；對不同厚度參數(shù)的CBF/陶瓷/泡沫鋁/CBF復(fù)合板的低速沖擊性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明復(fù)合板的抗沖擊性能隨著泡沫鋁和陶瓷厚度的增加而增強(qiáng)，其中泡沫鋁的增強(qiáng)效果更

7、好。
　　6．利用高速沖擊裝置，對不同厚度參數(shù)CBF/陶瓷/泡沫鋁/CBF復(fù)合板的高速沖擊性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了復(fù)合板的破壞模式及損傷機(jī)理，結(jié)果表明彈體被嚴(yán)重侵蝕，陶瓷呈現(xiàn)錐形破壞，泡沫鋁呈現(xiàn)倒錐形的彈坑，復(fù)合板充分發(fā)揮各組成材料的優(yōu)勢，具有良好的抗沖擊性能，且陶瓷厚度的增加可以明顯提高抗沖擊效果；對復(fù)合板在低速和高速彈體沖擊下的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值仿真，再現(xiàn)了復(fù)合板的破壞過程，分析了復(fù)合板結(jié)構(gòu)對彈體降速的影響以及復(fù)合板各層在抵抗沖