三维角联锁机织复合材料弹道侵彻多尺度结构模型及破坏机理

3-D angle interlock woven composite (3DAWC) exhibits good mechanical properties, such as high strength to weight ratio, good impact tolerance, excellent delaminate resistance. Basing on these significant features, 3DAWC has a substantial potential to be constructed in damping energy absorption devices. Currently, the most of study methods of ballistic penetration of 3DAWC are usually concentrated with ballistic experiment and theoretical prediction on one scale level, which can not fully reveal the ballistic mechanism of 3DAWC. Hence, (1) This project will focus on the ballistic penetration and damage mechanism of 3DAWC in the view of the interdisciplinary between 3-D textile composite and dynamic impact. Meanwhile, (2) the multi-scale structure, high speed constitutive relationship, interfacial interaction, strain rate sensitivity of 3DAWC will be discussed to reveal damage mechanism when it is under ballistic penetration. (3) A multi-scale numerical model will be established for a precisely and accurately calculation of the ballistic penetration, which would be a comprehensively help to improve the ability of impact resistance and energy absorption of 3DAWC. We hope such an effort could be extended to the ballistic impact design of the structures made of 3-D woven composite materials, which would be applied on the high-speed aircraft or ballistic protection field.

三维角联锁机织复合材料具有轻质高强、冲击损伤容限高、抗分层能力强等特点，在抗冲击阻尼结构件方面有较大应用潜力。目前相关弹道实验和计算理论工作多集中于研究其单一尺度内的动态响应行为和影响机制，从多尺度全面揭示弹道侵彻破坏机理、提高抗冲击性能的理论成果较少。本项目将三维纺织结构复合材料与冲击动力学结合：(1)研究三维角联锁机织复合材料多尺度(微观、细观、宏观)弹道侵彻响应行为和损伤机理，考察材料变形和破坏特征及能量吸收规律；(2)基于弹道实验和冲击动力学理论，探究多级拓扑结构、材料动态本构、界面脱黏性质、应变率效应对其弹道侵彻性能的影响机制；(3)建立精细多尺度结构模型，模拟弹道侵彻过程，阐述提高抗冲击损伤容限的结构特征和设计指标。该项目的开展能完善三维结构复合材料抗冲击理论，相关成果将加深对三维纺织结构复合材料及其弹道侵彻行为的理解，并能促进该复合材料在航空航天和弹道防护领域的广泛应用。

本项目将建立从纤维、基体、界面到宏观结构件的多层级弹道侵彻结构表征方法，发展包括结构、本构关系和边界条件的用户子程序，用于抗高速冲击防护材料的结构设计。具体结果是：.1 多级拓扑结构表征方法。建立多尺度结构模型，通过实验验证，确定关键表征指标，包括纤维细度和分布形态，织物密度和厚度等，来描述三维角联锁机织复合材料结构特征，形成多级拓扑结构指标体系和结构描述方法。.2 弹道侵彻加载下的材料动态本构。建立包括结构效应、应变率效应等因素的三维角联锁机织复合材料动态本构，进一步研究了冲击加载时应力波传播规律，界面裂纹扩展方式、纤维和基体的粘弹性本构关系、复合材料刚度降解特征和弹道侵彻破坏准则。.3 形成描述弹道侵彻破坏机理的多尺度描述方法。阐述三维角联锁机织复合材料在各层级冲击损伤描述方法和计算方法，构建系统材料子程序基因库的基础理论。.纤维增强复合材料在单兵防护装甲和高速运行器防护罩的研发领域的应用潜力巨大；本研究理论建模工作以有限元算法和材料本构方程为载体，融合了多尺度材料断裂力学知识，精准地模拟材料服役行为，解决了单一尺度影响因素不足以充分阐释复杂破坏机理的问题；本研究实验工作验证了理论模型的准确性，并用傅里叶变换解析复合材料在频域中的高应变率断裂信号，解决了冲击损伤中裂纹多尺度表征问题。相关研究成果将进一步充实复合材料冲击动力学和材料计算学的内容，并能促进三维纺织结构复合材料在航空航天和个体防护领域的应用。