碳纤维增强金属层合板抗高速冲击特性研究

发布时间：2020-09-23 08:54

　　碳纤维增强金属复合材料目前是军事航天领域轻质防护结构的重点发展方向。本文针对洲际导弹和航天器的外部壳体在高速冲击下的防护,设计了一种碳纤维增强金属层合板(CRALL),通过弹道试验和数值仿真研究了其在弹丸高速冲击下的失效机理和弹道防护能力。本文首先通过材料测试获得了单向碳纤维板在0°和90°方向上的力学性能,并对比碳纤维复合物(CFRP)、碳纤维增强铝合金层合板(CRALL)和铝合金Al2024-T3力学性能。通过弹道高速冲击试验,研究了三种弹头(平头,球头和尖头)冲击侵彻下CFRP和CRALL靶板的变形过程、失效模式和弹道防护性能;通过实验结果对比,CRALL靶板对平头弹丸的抗冲击性能最强,球头和尖头弹丸次之;在等厚度情况下两种类型碳纤维增强铝合金层合板结构(CRALL1/3和CRALL2/3)的针对三种头部弹丸高速冲击下弹道防护性能和能量吸收能力要高于CFRP。通过Fortran语言在Abaqus中编写了适用于碳纤维复合物的三维实体单元冲击失效用户子程序(VUMAT)。基于VUMAT的数值仿真结果有效的模拟了CFRP的冲击失效过程,并与实验结果相符;在CFRP和CRALL的弹道冲击模型中获得的不同头部形状弹丸侵彻速度曲线和弹道极限与实验结果相符,验证了有限元模型和用户子程序的有效性。本文的研究结果表明,CRALL层合板比碳纤维复合材料(CFRP)具有更优的力学性能,在各层损伤、弹道极限以及能量吸收等抗冲击能力方面更具优势。研究内容为今后高速冲击下轻质防护结构的设计提供了理论基础和参考作用,具有重要的工程应用价值。
【学位单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TJ04;V445.1
【部分图文】：

蓝色,复合材料,碳纤维增强复合材料,碳纤维复合材料

. 碳纤维增强复合材料工程应用背景.1.1. 碳纤维增强复合材料应用现状在现今常用的复合材料中，碳纤维增强复合材料拥有十分优异的力学性能，比模比强度都高于其他材料[1]。因此，在对结构刚度要求很高的场合中，碳纤维增强材料的应用非常广泛。它广泛应用于汽车工业、化纺机械、医学、体育运动器材等民用领域；碳纤维复合材料在航空航天和军事工业领域应用也十分广泛，并且空航天四大材料（复合材料、铝、钛、钢）的主要选材[2, 3]。如目前如航天飞机导弹壳体、宇宙探测器和卫星等，普遍采用高强度碳纤维复合材料作为主承力件减重的效果，降低发射成本。目前由空客集团研制的超大型民用客机 A380 上共纤维等复合材料约 22 %，估计约为 36 吨[4]。复合材料层合结构的强度预测及失析是设计复合材料结构时所必需解决的关键问题，是安全、经济地应用复合材料提。保证航天器纤维结构在高速状态下破片撞击后的完整性和稳定性至关重要对于碳纤维复合材料在高速冲击条件下的力学响应和失效机理的研究尤为重要

复合材料应用,轰炸机,部位

CFRP 在战斗机、轰炸机、直升飞机和无人飞机上的用量与日俱增，使能得到不断提高。先进复合材料已成为研制先进战机的材料基础。美国最先进的战机 F-22，CFRP 用量已达到 24%；英国“台风”战机 EP2000 复合材料用量高 %[5]。相比之下，我国战机所用复合材料比较少，歼 7 Ⅲ 上复合材料用量仅为 2 % XX 为 6 %左右[5]。显然，这与我国碳纤维的制造技术和复合技术水平息息相关

火箭壳体,发动机喷管,碳纤维复合材料

图 1-2 美隐身轰炸机 B-2 复合材料应用部位碳纤维增强复合材料在固体火箭发动机上的应用普遍。主要应用在火箭发动部分和碳纤维壳体。在火箭发动机和喷管工作温度在 3000℃以上，目前只有纤维材料才能承受这种高温烧蚀[5]。此外大量采用碳纤维壳体替换钢材，能射程。如美国“北极星”AI 型固体发动机第二级壳体采用 CFRP，射程提高0km[5]。

【参考文献】