多尺度加固“自锁”立体叠层柔性防刺复合材料的结构设计及防护机理研究

This project purposes to propose a new structure ─multi-scale reinforced ‘self-locking’ stab-resisting flexible composite, and the design principle and protective mechanism of the new structure, aiming at solving insufficiency of stab resistance and stability of single-sided needle-punching reinforced stab-resisting composites. Firstly, the relation of inner structure and stress-strain is determined using finite element modeling, and therefore, the new structure of stereoscopic laminated stab-resisting composites is constructed. Secondly, the correspondence of fabric density, hybrid fiber ratio, needle-punched density, thickness and number of lamination layers to stab-resisting performance of new-structure composites including stab resistance force, stab depth and number of stab layers is indicated and then the empirical model of structure design of new structure is performed, based on mechanics of materials and fiber materials theory. Finally, the mechanical model of new-structure composites is established and then revised based on stab-resisting experiment, in order to verify the rationality of new structure design and reveal the stab-resistance mechanism. This project aims to construct structure design principle and stab-resisting predicted model of multi-scale reinforced ‘self-locking’ stereoscopic laminated flexible stab-resisting composites, for providing the experimental and theoretical rules of designing and fabricating new types of flexible stab-resisting composites.

本项目针对单针刺加固防刺复合材料防刺性能及其稳定性的不足，提出一种多尺度加固“自锁”立体叠层柔性防刺复合材料的新结构，并揭示了该结构的结构设计原理和防护机制。首先在不同结构下，利用有限元模拟技术得出立体叠层防刺复合材料内部结构与应力应变的关系，据此建立多尺度加固“自锁”立体叠层柔性防刺复合材料的新结构。然后利用材料力学、纤维材料学相关理论，建立三维立体叠层复合材料织物密度、混杂纤维比例、针刺密度、厚度、层数与防刺力、穿刺深度和穿刺层数的关系，建立新型多尺度加固“自锁”立体叠层柔性防刺复合材料结构设计经验模型。最后，建立立体叠层柔性复合材料防刺性能的力学模型，验证结构设计的合理性，揭示防刺过程的机理，并结合穿刺实验对模型参数进行修正。本项目旨在通过理论和实验研究建立多尺度加固“自锁”立体叠层柔性防刺复合材料的结构设计原理和防刺预测模型，为设计和制造新型柔性防刺复合材料提供实验和理论依据。

本项目针对单针刺加固防刺复合材料防刺性能及其稳定性的不足，提出一种多尺度加固“自锁”立体叠层柔性防刺复合材料的新结构，并对其结构设计原理和防护机理进行研究。采用多重针刺加固及热粘合加固成型新方法，制备不同结构的立体叠层柔性防刺复合材料。建立了立体叠层柔性防刺复合材料静态穿刺和动态穿刺过程应变的有限元动态模型，有限元分析结果表明，穿刺过程中，平纹织物层交织点是应力集中的地方，且动态穿刺性能与纱线模量和织物密度密切相关。有限元分析结果对复合材料的结构设计具有指导意义。利用材料力学、纤维材料学相关理论，研究三维立体叠层复合材料混杂纤维比例、针刺密度、厚度、层数与防刺力、穿刺深度和穿刺层数的关系，建立新型多尺度加固“自锁”立体叠层柔性防刺复合材料结构设计经验预测模型，从而为立体叠层柔性防刺复合材料的结构设计提供原理方法。通过基于Box–Behnken design响应面设计的多元经验回归模型，为低成本民用柔性防刺复合材料的结构设计及针刺、热粘合加固参数设计提供依据。以最大应力-应变准则、动量守恒及能量守恒为理论基础，系统研究多尺度加固“自锁”立体叠层柔性防刺复合材料的影响因素及规律，建立静态和动态防刺力的数学模型并对其合理性进行验证，结合 E1动态穿刺实验对结构设计中的层数、角度及混杂纤维比例进行预测。. 本研究通过理论和实验研究确立了多尺度加固“自锁”立体叠层柔性防刺复合材料的结构设计原理和防刺预测模型，最终为设计和制造此类柔性防刺复合材料和提高防刺性能提供了理论依据。