爆炸载荷下斜纹编织碳纤维复合材料板动响应实验与数值仿真研究

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碳纤维复合材料具有比强度高、比刚度高、耐腐蚀等优点,被广泛应用在舰船、航空航天等国防军用领域。开展其在爆炸冲击载荷下的动响应研究具有十分重要的学术价值和工程意义。鉴于此,本文以斜纹编织碳纤维复合材料板为对象,采用实验和数值仿真相结合的方法对其抗爆性能进行了研究,主要工作如下:(1)通过对三种铺层厚度的斜纹编织碳纤维层合板开展空中爆炸实验,研究了炸药当量和铺层数量对层合板损伤的影响规律,甄别了斜纹编织碳纤维复合材料层合板在空中爆炸载荷下的三种损伤模式,并建立了损伤模式图谱,明确了斜纹编织碳纤维层合板损伤模式与铺层数以及载荷之间的关系。(2)采用显式动力有限元软件ABAQUS,编写了斜纹编织碳纤维层合板的3DHashin材料损伤演化的VUMAT子程序,建立了爆炸载荷下斜纹编织碳纤维层合板动响应数值分析模型,通过与实验结果对比验证了数值模型的准确性,并基于数值模型开展了斜纹编织碳纤维层合板在空爆载荷下的动态响应研究,获得了其在爆炸载荷下的变形和分层损伤特性。(3)建立了斜纹编织碳纤维复合材料夹芯板在空中和水下爆炸载荷下动响应分析数值模型,获得了在不同冲击波传播介质下面板厚度配置和芯层梯度对夹芯板抗爆性能的影响规律。结果表明,无论是在空中还是水下爆炸载荷下,将更多数量的碳纤维铺层配置到迎爆面面板,可以有效提高其抗爆性能,但芯层梯度对夹芯板在空中和水下抗爆性能的影响规律不同。本文研究工作为碳纤维复合材料板的抗爆设计提供了有价值的参考。
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