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纤维增强树脂基复合材料层合板抗侵彻性能数值模拟研究

汇报人：

2024-01-14

引言

纤维增强树脂基复合材料层合板基本理论

数值模拟方法与模型建立

数值模拟结果分析与讨论

实验验证与结果对比分析

结论与展望

引言

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随着高速侵彻武器的发展，对复合材料层合板的抗侵彻性能提出了更高的要求，因此开展相关研究工作具有重要意义。

纤维增强树脂基复合材料层合板在航空航天、国防军事等领域广泛应用，其抗侵彻性能是评价其防护能力的重要指标。

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国内外学者在纤维增强树脂基复合材料层合板抗侵彻性能方面开展了大量研究工作，取得了显著成果。

目前，数值模拟方法已成为研究复合材料层合板抗侵彻性能的重要手段，能够揭示其破坏机理和预测其抗侵彻性能。

未来，随着计算机技术和数值模拟方法的不断发展，复合材料层合板抗侵彻性能的数值模拟研究将更加深入和精确。

研究内容

本研究旨在通过数值模拟方法，研究纤维增强树脂基复合材料层合板在高速冲击下的抗侵彻性能，揭示其破坏机理和预测其防护能力。

研究目的

通过本研究，期望能够深入了解纤维增强树脂基复合材料层合板的抗侵彻性能，为其在航空航天、国防军事等领域的应用提供理论支撑和技术指导。

研究方法

本研究采用有限元数值模拟方法，建立纤维增强树脂基复合材料层合板的精细化模型，模拟其在高速冲击下的响应和破坏过程，并通过与实验结果对比验证模拟结果的准确性和可靠性。

纤维增强树脂基复合材料层合板基本理论

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由多层不同材料或同一材料不同方向堆叠而成，具有层间性能差异。

层合结构

各向异性

可设计性

由于纤维方向和层间界面的存在，复合材料层合板表现出各向异性特性。

通过改变纤维类型、含量、排列方式和层合板厚度等参数，可实现层合板性能的定制化设计。

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纤维增强树脂基复合材料具有较高的比强度和比刚度，适用于轻质高强结构。

高比强度

纤维的加入提高了复合材料的耐疲劳性能，使其适用于承受循环载荷的结构。

耐疲劳性

纤维和树脂基体的协同作用使得复合材料具有一定的损伤容限，能够抵抗一定程度的冲击和侵彻。

损伤容限

衡量弹体侵彻靶板深度的指标，反映靶板的抗侵彻能力。

侵彻深度

弹体刚好能够穿透靶板而不破裂的最大速度，是评价靶板抗侵彻性能的重要指标。

弹道极限速度

靶板在侵彻过程中吸收的能量，反映靶板的能量吸收能力和抗侵彻性能。

能量吸收

采用有限元分析、离散元分析等数值模拟方法，对纤维增强树脂基复合材料层合板的抗侵彻性能进行预测和评估。

数值模拟方法

数值模拟方法与模型建立

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模型建立

根据纤维增强树脂基复合材料层合板的实际结构和尺寸，建立相应的几何模型，包括层合板的厚度、纤维方向、铺层顺序等。

网格划分

对建立的几何模型进行网格划分，选择合适的网格类型和大小，以保证计算精度和效率。对于复杂的结构或局部细节，可以采用局部加密网格的方法进行处理。

材料参数设置

根据纤维增强树脂基复合材料的实际性能，设置相应的材料参数，包括弹性模量、泊松比、密度、强度等。对于非线性材料行为，还需要设置相应的非线性参数。

边界条件处理

根据实际问题的需要，设置相应的边界条件，包括固定约束、位移约束、载荷约束等。对于复杂的边界条件，可以采用等效处理或简化的方法进行处理。

数值模拟结果分析与讨论

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层合板在不同侵彻速度下的变形行为

随着侵彻速度的增加，层合板的变形程度逐渐增大，且变形区域向四周扩展。

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侵彻速度对层合板破坏模式的影响

随着侵彻速度的增加，层合板的破坏模式由局部的剪切破坏向整体的拉伸破坏转变。

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侵彻速度与层合板能量吸收的关系

侵彻速度的增加导致层合板吸收的能量增加，但能量吸收效率逐渐降低。

纤维方向与层合板抗侵彻性能的关系

纤维方向与侵彻方向垂直时，层合板的抗侵彻性能最优；纤维方向与侵彻方向平行时，抗侵彻性能最差。

不同纤维方向下层合板的破坏模式

纤维方向与侵彻方向垂直时，层合板主要发生剪切破坏；纤维方向与侵彻方向平行时，主要发生拉伸破坏。

纤维方向对层合板能量吸收的影响

纤维方向与侵彻方向垂直时，层合板的能量吸收效率最高。

层合板厚度与抗侵彻性能的关系

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随着层合板厚度的增加，其抗侵彻性能逐渐提高，但当厚度增加到一定程度后，提高幅度逐渐减小。

不同厚度下层合板的破坏模式

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厚度较小的层合板主要发生局部的剪切破坏，而厚度较大的层合板则更容易发生整体的拉伸破坏。

层合板厚度对能量吸收的影响

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随着厚度的增加，层合板的能量吸收能力逐渐提高，但能量吸收效率逐渐降低。

实验验证与结果对比分析

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选择具有不同纤维类型、含量和排列方式的纤维增强树脂基复合材料层合板作为实验对象。

实验材料准备

设计并制造一种能够模拟实际侵彻过程的装置，包括侵彻弹头、加速度传感器、数据采集系统等。

侵彻装置设