玻璃纤维复合材料抗爆容器动力响应研究

发布时间：2018-02-25 16:43

本文关键词： 抗爆容器动力响应铝合金内衬复合材料分层失效抗爆性能数值模拟内聚力缠绕方式　出处：《浙江大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：抗爆容器是一种特殊容器,能够限制内部易爆物质如炸药等发生爆炸产生的冲击波等爆炸产物的作用范围,从而为容器周围的人员和设备等提供有效的近距离保护,因此被广泛应用于军事国防、科学研究、爆炸加工以及公共安全等领域。近年来恐怖袭击等安全问题屡有发生,人们对公共安全的重视程度越来越高,质量轻、可移动式的抗爆容器需求量日益增加。复合材料由于其具备比强度高、耐腐蚀、可设计性强等优点是制造这类抗爆容器的首选材料,因此对复合材料抗爆容器动力响应的研究具有十分重要的意义。本文在国家自然科学基金课题“基于细观力学的复合材料抗爆容器动力响应机理研究”(项目编号51275455)的支持下,开展了树脂基玻璃纤维复合材料抗爆容器动力响应的研究。主要研究内容以及结论如下：(1)研制了三种不同缠绕方式的铝合金内衬环氧树脂玻璃纤维增强复合材料抗爆容器,并对其进行了爆炸加载试验研究,试验过程中设计了新的炸药固定装置。根据试验结果从宏观和微观两方面系统分析了含内衬复合材料抗爆容器在不同炸药当量爆炸作用下的失效模式,并分析其失效机理及影响因素。结果表明：抗爆容器在内部爆炸载荷作用下会出现多种失效形式并存的现象,其中分层失效在当量较低的时候也会出现,发生贯穿裂纹时纤维断裂属于脆性断裂而铝合金内衬为韧性断裂。此外复合材料抗爆容器失效形式与复合材料层缠绕方式有关,当全环向缠绕时会出现特殊的轴向分层失效导致复合材料层形成环向贯穿裂纹。对应变数据分析表明复合材料抗爆容器爆心截面处并未发生应变增长现象,但封头与筒体连接处发生了应变增长现象。此外确定了本文中三种复合材料抗爆容器的抗爆性能(出现贯穿裂纹时炸药与容器质量比)范围依次为1.67%～2.65%、1.99%～2.65%、3.14%～3.67%,均高于单层金属抗爆容器的抗爆性能。(2)建立了含内衬复合材料抗爆容器内部爆炸加载作用下系统响应数值计算模型。该模型基于多物质拉格朗日欧拉方法建立,通过使用固连失效接触方法并引入内聚力失效准则成功实现了对复合材料层间分层失效的模拟,数值结果与试验结果符合良好。利用数值方法对铝合金内衬在内部爆炸载荷作用下的动力响应、复合材料层内分层失效机理及其行为演化以及等质量下的复合材料抗爆容器与单层金属抗爆容器动力响应不同进行了深入分析。结果表明：(a)铝合金内衬在内部爆炸加载作用下爆心截面处发生轴向贯穿裂纹的位置具有一定的随机性,极端炸药当量下,裂纹除了沿轴向扩展外也会沿环向扩展,最终导致内衬完全断裂；(b)相同质量的复合材料抗爆容器相比于单层金属抗爆容器具备更好的抵抗变形能力,且系统响应衰减速度更快；(c)复合材料层之间的动力响应不一致包括振幅差以及相位差是分层失效发生的主要原因,而内部的分层失效在爆炸载荷作用下会不断扩展,也会引起周边区域产生新的分层失效,最终分层失效扩展过程中会相互融合变成更大面积的分层失效。(3)研究了金属内衬对复合材料抗爆容器动力响应的影响。研究从有无内衬、内衬厚度以及内衬材料三个方面展开,结果表明：(a)金属内衬的加入使爆炸产生的能量能较快地施加在不同轴向位置的复合材料壳体上且系统响应衰减速度更快,此外金属内衬能够通过塑性变形吸收一定的爆炸能量,进而提高系统的抗爆能力；(b)随着金属内衬厚度的增加,系统抵抗变形能力越强,而抗爆性能不一定增加；(c)当金属内衬部分质量占整个容器比重很小时,同等厚度下内衬材料刚度系数越大容器抗爆性能越好。(4)研究了缠绕方式对复合材料抗爆容器动力响应的影响。对于全螺旋缠绕复合材料抗爆壳体,随着螺旋角(与轴向夹角)增大复合材料层环向承载能力变大而轴向承载能力减弱,壳体抵抗变形的能力增强,系统响应衰减速度越快,发生应变增长的概率也越低；确定了单次使用复合材料抗爆容器复合材料层的最优缠绕方式为采用螺旋与环向交替缠绕,且螺旋缠绕角度应在40°左右。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ053.2;TB33

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