基于细观力学的复合材料抗爆容器动力响应机理研究

Fiber reinforced composite explosion containment vessels(CECV) have become one of essential equipments in the field of military, burst processing and public security for their advantages of light weight, good using safty and no size effect.The current research focus of composite materials is concenterated on mesomechanics and multi-scale modeling methods.However their strain rate is in a low range, while the strain rate of CECV up to the order of 100-10000 1/s, or even higher. The dynamic yield strength of composite material changes with the increasing of strain rate and structure vibration is significantly dependent upon adhesive properties of resin matrix. Some high-strain-rate experiments including Hopkinson Bar test are designed to measure the dynamic yield strength,damping ratio and fracture toughness.Combining with experiment results and data fitting, a viscoelastic constitutive relation is proposed to account for the ply and laminates behavior under explosive loading. Considering the progressive failure characteristics of composite laminates,some stifness degradation model based on continuum damage mechanics(CDM)and intersurface element coupled with cohesion crack model are developed. The damage models are introuduced into numerical code to reveal the real-time effect of mesoscale damage,including fiber breakage, matrix cracking and delamination, on the dynamic response of CECV.Also the experiments of composite vessels under internal explosive loading are conducted to verify the consitutive relation and damage models.

纤维增强复合材料抗爆容器重量轻、使用安全性好，且具有良好的可设计性、无尺寸效应等显著优点，在国防军事、爆炸加工及公共安全等方面的作用日益凸显。目前国际复合材料的研究热点集中在细观力学和多尺度建模方法，但其研究的应变率范围一般较低,而复合材料抗爆容器通常应变率可达100-10000 1/s 量级,甚至更高。随着应变率的提高，复合材料动态屈服强度发生改变，同时树脂基体的粘性性质将对结构振动产生显著影响。本项目在复合材料单层板本构方程中引入粘度系数，通过理论推导和试验研究确定复合材料与应变率相关的动态屈服强度和阻尼特性。基于复合材料层合板的渐进失效行为特征，分别建立基于连续破坏力学（CDM）的刚度退化失效模型和界面单元与内聚力裂纹耦合模型，并将以上失效模型引入到计算程序中，从而揭示细观尺度损伤包括纤维断裂，基体开裂和脱层等对复合材料抗爆容器动力响应的实时影响。

复合材料抗爆容器由于比强度高、可设计性强等优点应用领域越来越广，尤其是在公共安全防护、反恐等方面受到越来越多的重视。本项目采用试验和数值模拟的手段对复合材料抗爆容器在内爆载荷下的动力响应以及分层失效进行了深入研究。主要研究内容及结论如下：.（1）开展了铝合金内衬环氧树脂基玻璃纤维复合材料抗爆容器爆炸加载试验研究。分析了含内衬复合材料抗爆容器内衬以及复合材料层在不同炸药当量作用下的失效形式。结果表明：（a）含内衬复合材料抗爆容器在内部爆炸载荷作用下存在多种失效共存的现象，尤其是分层失效极易发生；（b）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沿环向贯穿裂纹；（c）临界炸药当量作用下，含内衬复合材料抗爆容器局部发生贯穿裂纹，极端当量炸药作用下，复合材料层沿轴向完全撕开。.（2）建立了内部爆炸加载作用下含内衬复合材料抗爆容器动力响应数值计算模型，通过固连失效接触法并引入内聚力模型实现了对复合材料层间分层失效的模拟。利用数值方法对铝合金内衬动力响应、复合材料层层内分层失效机理以及等质量的复合材料与金属抗爆容器动力响应进行了分析，结果表明：（a）铝合金内衬在临界炸药当量作用下爆心区域发生轴向贯穿裂纹的位置具有一定的随机性，极端炸药作用下，爆心附近裂纹除了沿轴向扩展外还会沿环向扩展；（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，而内部的分层失效会不断扩展，甚至会引起周边区域产生新的分层失效。.（3）利用数值计算模型从有无内衬、内衬厚度以及内衬材料三个方面系统研究了金属内衬对复合材料动力响应的影响，结果表明：（a）金属内衬的加入使爆炸产生的能量能较快的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；（b）随着金属内衬厚度的增加，系统抵抗变形能力越强，但抗爆容器抗爆性能不一定增加。.（4）研究了缠绕方式对复合材料抗爆容器动力响应的影响，结果表明：（a）对于全螺旋缠绕复合材料抗爆壳体，随着螺旋角的增大，复合材料层环向承载能力变大而轴向承载能力减弱，复合材料壳体抵抗变形的能力增强，系统响应衰减速度越快；（b）复合材料抗爆容器最优缠绕方式应采用螺旋与环向交替缠绕，且螺旋缠绕角度应在40°左右。