柔性复合材料结构超高速撞击防护性能研究

发布时间：2017-09-20 23:04

  本文关键词：柔性复合材料结构超高速撞击防护性能研究

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【摘要】：随着人类航天活动的开展,高速增长的空间碎片对人类航天器威胁日增,而直径小于1cm的碎片只能采用碎片防护结构进行被动防护,柔性复合材料在发射时可柔性折叠,因而可利用较小发射体积发射更大面积的或具有更多屏的碎片防护结构,从而大大提高防护结构的碎片撞击防护效率和防护区域。本文对柔性复合材料的超高速撞击防护性能进行了研究。首先,根据纤维材料耐折叠性能,选取芳纶纤维布及芳纶/环氧复合材料,制备了柔性复合材料防护屏,以传统刚性材料防护屏-铝合金防护屏作为对比,对柔性复合材料防护屏和传统材料防护屏进行了超高速撞击实验测试,通过对防护屏在超高速撞击后的破坏形貌、弹丸破碎程度、校验板损伤程度等进行比较分析,评价了柔性复合材料防护屏的防护性能。结果表明,相同面密度的柔性复合材料防护屏与传统铝合金防护屏超高速撞击防护性能相差不大,但柔性复合材料可柔性折叠发射,因此,在构建大面积、多层防护屏方面,与传统铝合金防护屏相比,柔性复合材料防护屏具有不可比拟的优势。试验测试了不同厚度芳纶纤维布和芳纶/环氧复合材料的超高速撞击防护性能,得到了材料厚度对弹丸破碎程度及防护性能的影响规律,结果表明:随着防护屏材料厚度增加,防护屏的超高速撞击防护性能随之提高。得到了环氧树脂基体对防护屏材料破坏行为及超高速撞击防护性能的影响,结果表明,少量环氧树脂可提高其单位质量防护性能,这可能是由于环氧树脂对芳纶纤维布中的纱线有位置固定作用,防止了单纯纤维布纱线在弹丸冲击下的滑移,从而可提高其防护性能;环氧树脂用量继续提高,其防护性能提高不大,但其质量则有显著增大,因此,反而降低了芳纶纤维布的防护效率。其次,对芳纶/环氧树脂复合材料和芳纶纤维布的多屏防护结构进行了超高速撞击试验研究,并以铝合金板、碳纤维/环氧复合材料为对照,对芳纶柔性复合材料与对照材料在超高速撞击后的各屏损伤、出现损伤的防护屏数及弹丸穿过各屏后的破碎情况等进行了分析,对柔性复合材料与传统材料多屏防护结构的防护性能进行了综合比较与评价。在超高速撞击实验研究基础上,对柔性复合材料超高速撞击行为进行数值模拟与分析。建立了柔性复合材料超高速撞击分析模型,利用试验测试结果,验证了模型的正确性和有效性。利用分析模型,对不同厚度芳纶/环氧复合材料防护屏超高速撞击行为进行了数值模拟,研究了撞击后防护屏的损伤及弹丸的破碎情况和碎片剩余动能等,分析了防护屏厚度与防护性能的关系,结果表明:随着防护屏材料厚度增加,防护屏的超高速撞击防护性能随之提高,而防护屏厚度小于2.6mm的时候,其防护性能随厚度增加而提高的效果更为显著;对不同速度弹丸与防护屏撞击行为进行了数值模拟,分析了芳纶/环氧复合材料对不同速度弹丸撞击的动能吸收率,得到了防护屏对不同速度弹丸的防护性能。对柔性复合材料多屏防护结构与不同速度弹丸的撞击进行了数值模拟,比较了柔性复合材料多屏防护结构在不同速度下的防护性能,并分析了柔性复合材料多屏防护结构对不同速度弹丸的防护机制,结果表明:柔性复合材料多屏防护结构对1.5km/s以下的低速弹丸和4.5km/s以上的高速弹丸的撞击具有更好的防护,这是由于:多屏柔性复合材料防护结构对1.5km/s以下低速弹丸的撞击动能吸收更好,而对4.5m/s以上的高速弹丸则具有更好的破碎效果。
【关键词】：超高速撞击 柔性复合材料 光滑粒子 芳纶/环氧复合材料 可折叠
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V528;V445.1
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-11
• 1.2 超高速撞击防护研究现状11-19
• 1.2.1 空间碎片概述11-14
• 1.2.2 空间碎片防护结构技术研究14-16
• 1.2.3 高速冲击动力学发展概况16-18
• 1.2.4 超高速撞击防护性能评价18-19
• 1.3 本文的主要研究内容19-21
• 第2章 复合材料超高速撞击实验研究21-56
• 2.1 引言21
• 2.2 超高速撞击实验方案21-26
• 2.2.1 实验材料21-23
• 2.2.2 实验测试方案23-24
• 2.2.3 超高速撞击实验设备24-26
• 2.3 不同材料防护屏超高速撞击实验26-30
• 2.4 防护屏厚度对超高速撞击损伤的影响30-42
• 2.4.1 芳纶/环氧复合材料撞击实验30-36
• 2.4.2 芳纶纤维布撞击实验36-41
• 2.4.3 芳纶/环氧复合材料与芳纶纤维布比较分析41-42
• 2.5 多屏防护结构超高速撞击实验42-54
• 2.5.1 铝合金多屏防护结构撞击实验42-45
• 2.5.2 芳纶/环氧复合材料多屏防护结构撞击实验45-48
• 2.5.3 碳纤维/环氧复合材料多屏防护结构撞击实验48-50
• 2.5.4 芳纶纤维布多屏防护结构撞击实验50-54
• 2.6 本章小结54-56
• 第3章 柔性复合材料超高速撞击数值模拟56-75
• 3.1 引言56
• 3.2 柔性复合材料模型56-60
• 3.2.1 状态方程56-58
• 3.2.2 材料强化模型58-60
• 3.2.3 失效模型60
• 3.3 有限元模型60-64
• 3.4 不同厚度下的复合材料超高速撞击行为分析64-71
• 3.5 不同速度下的超高速撞击行为分析71-74
• 3.6 本章小结74-75
• 第4章 多屏柔性复合材料结构超高速撞击数值模拟75-84
• 4.1 引言75
• 4.2 多屏撞击数值模拟结果实验验证75-77
• 4.3 不同速度下超高速撞击数值模拟分析77-83
• 4.3.1 弹丸速度为 1km/s时的撞击模拟77-79
• 4.3.2 弹丸速度为 3.5km/s时的撞击模拟79
• 4.3.3 弹丸速度为 8km/s时的撞击模拟79-83
• 4.4 本章小结83-84
• 结论84-85
• 参考文献85-90
• 致谢90

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本文编号：890900