（工程力学专业论文）复合材料结构较高速冲击的力学分析.pdf

l 复合材料较高速冲击的力学分析 a b s t r a c t t h is p a p e rf i r s t l ypr e s e n t s t h e i m p a c t b a s i ct h e or i e sa n dt h e a p p l y i n g m e t h o df ort h e g e n e r a l e n g i n e e r i n gf e ms o f t w a r es y s t e m a n s y s ，t h e n t h e p r e l i m i n a r y n u m er i c a ls i m u l a t i o nh asb e e n c o n d u c t e di nt h em e c h a n i c a l p r o c e s s o ft h el a m i n a t e d c o m p o s i t e p l a t e ss u b je c t i n g t ot h e i m p a c t i n g l o a d s ，t h e h i g h e r v e l o c i t y h i t b e t w e e nt h e c o m p o s i t e s h e l l sa n dt h em e t a ls t r u c t u r e s t h eb i r d i m p a c t r a d a rc o v er e x p e r i m e n t i sa l s o i n c l u d e d c h a n g e s o ft h e m e c h a n i c a lv a l u e si n s u b je c t i n g t od i f f e r e n t i m p a c t l o a d sa r ea l s o a n a l y z e d t h e r e s u l to fn u m er i c a ls i m u l a t i o no f f e r sat h e o r e t i c a l r e f e r e n c ef o rt h ee x p e r i m e n to fa n t i b i r dr a d a rc o v e r k e y w o r d s ：i m p a c t ，c o m p o s i t e m a t e r i a l s t r u c t u r e ，a n s y s ， n u m er i c a 】s i m u l a t i o n _ _ _ _ _ _ _ _ _ i l _ - _ _ _ - _ l _ _ _ _ - _ 一。_ 。一一 1 ， 歉 南京航空航天大学硕七学位论文 第一章绪论 1 1 复合材料的基本性能 复合材料是一种多相材料由多种性质极不相同的材料组成。先进的复合材 料在本世纪6 0 年代初才发明，最具代表性的为聚合物为基的高性能的碳纤维和 硼纤维复合材料。 金属材料多半是均质和各向同性的；而复合材料却是各向异性的即我们可 通过复合材料层片的取向与顺序的改变而改变复合材料的弹性特性和强度特性。 以满足结构的需要。纤维复合材料中存在的许多纤维树脂界面能阻止材料在交 变载荷作用下，疲劳裂纹的进一步扩展：此外复合材料比金属材料有着更高的 比强度和比刚度，可以减轻飞行器的重量，表1 1 为部分金属材料与复合材料比 强度和比刚度对照。 表l 一1 常见材料的比强度和比剐度( 单位：g p a ) 材料名称材料比重拉伸强度弹性模量比强度比模量 铝舍金l 6 5 2 80 4 67 20 1 72 6 钍合金d t d 4 5o 9 31 1 00 2 l2 4 钢$ 9 7 7 80 9 92 0 7o 7 32 7 硼 2 53 54 2 01 4 01 6 8 k e v l a r1 4 42 81 3 01 9 49 0 i 型碳纤维 2 o1 94 0 00 9 52 0 0 l 【型碳纤维 1 72 ，62 0 01 5 21 1 8 e 玻璃 2 5 42 68 4o 9 83 3 纤维和基体的力学性能有很大的差异，他们组合起来构成的纤维增强复合材 料在弹性常数、线膨胀系数及强度特性方面必然会表现出明显的各向异性。通过 对纤维取向的设计制成的复合材料结构会出现程度不同的各向异性，复合材料性 能的可设计性是复合材料所特有的主要优点。纤维复合材料是由两种或两种以 上不同强度和模量的材料所构成，在纤维和基体材料选定后，尚有许多材料参数 和几何参数可变动，而且形成层合结构时每一层的铺设方向又可随意安排，这样 就可以人为的改变组分材料的种类、含量，以及铺层方向和顺序。在一定范围内 满足设计中对材料强度、刚度和方向性的要求，可是结构的性能、重量和经济指 标等都做到合理的优化组合。为设计人员提供了一种在一定范围内可随意设计的 材料，达到结构设计与材料设计高度统一的优化设计的目的。 复合材料结构较高速冲击的力学分析 1 2 复合材料在飞机结构上的应用 由于复合材料有许多良好特性：比强度和比模量高，可减轻飞行器的重量 ( 复合材料结构替代铝合金结构，一般可至少减轻2 0 的重量) ；可设计性好；抗 疲劳性能好( 金属材料的疲劳极限一般是拉伸强度的4 0 5 0 ，而碳纤维聚 酯树脂复合材料的疲劳极限可达抗拉强度的7 0 8 0 ) ；减振性能好，一般就 不会发生共振，引起早期振动破坏；高温性能、破损安全性好；所以，先进复合材 料在军用飞机和民用飞机上都得到广泛的应用。 咀前，用复合材料替代金属材料主要是停留在二次结构上。如飞机控 制翼面、发动机舱、起落架门、各种室内装饰材料、地板材料等。加拿大d e h a v i l l a n d 公司的c a s h 一7 机上使用了多达2 2 0 k g 的开美拉纤维增强材料： s i k o r s k y 公司的直升机外部有一半以上使用了先进复合材料结构；波音b 7 6 7 在各个部位都采用了复合材料，可使飞机结构减重1 吨。法国d a s s a u l t - b r e g u e t 公司的海市蜃楼战斗机的垂直尾翼是石墨环氧树脂复合材料：美国麦道公司 的改良型猪兔狗a v 8 b 歼击机翼大部分用复合材料做成。在民用飞机上，采 用复合材料的部件主要为承受和传递局部气动载荷如雷达罩、整流包皮、 副翼、升降舵和方向舵等：波音7 5 7 、7 6 7 飞机采用的复合材料总重量约有 1 5 0 0 k g 。这些措施降低了飞机结构重量，为航空公司带来了明显的节油效益。 我们有理由相信，随着复合材料科学和技术的不断发展和完善，先进复合材料 结构在飞机制造工业中的应用必将越来越多 1 3 复合材料结构高速冲击时损伤概论 1 3 1 引言 虽然复合材料因其特有的优异性能在航空工业中应用越来越广泛，但是复 合材料本身抗冲击性能差的特点也日益影响到它的应用范围，使得它不能发挥 2 复合材料结构较高速冲击的力学分析 1 2 复合材料在飞机结构上的应用 由于复合材料有许多良好特性：比强度和比模量高，可减轻飞行器的重量 ( 复合材料结构替代铝合金结构，一般可至少减轻2 0 的重量) ；可设计性好；抗 疲劳性能好( 金属材料的疲劳极限一般是拉伸强度的4 0 5 0 ，而碳纤维聚 酯树脂复合材料的疲劳极限可达抗拉强度的7 0 8 0 ) ；减振性能好，一般就 不会发生共振，引起早期振动破坏；高温性能、破损安全性好；所以，先进复合材 料在军用飞机和民用飞机上都得到广泛的应用。 咀前，用复合材料替代金属材料主要是停留在二次结构上。如飞机控 制翼面、发动机舱、起落架门、各种室内装饰材料、地板材料等。加拿大d e h a v i l l a n d 公司的c a s h 一7 机上使用了多达2 2 0 k g 的开美拉纤维增强材料： s i k o r s k y 公司的直升机外部有一半以上使用了先进复合材料结构；波音b 7 6 7 在各个部位都采用了复合材料，可使飞机结构减重1 吨。法国d a s s a u l t - b r e g u e t 公司的海市蜃楼战斗机的垂直尾翼是石墨环氧树脂复合材料：美国麦道公司 的改良型猪兔狗a v 8 b 歼击机翼大部分用复合材料做成。在民用飞机上，采 用复合材料的部件主要为承受和传递局部气动载荷如雷达罩、整流包皮、 副翼、升降舵和方向舵等：波音7 5 7 、7 6 7 飞机采用的复合材料总重量约有 1 5 0 0 k g 。这些措施降低了飞机结构重量，为航空公司带来了明显的节油效益。 我们有理由相信，随着复合材料科学和技术的不断发展和完善，先进复合材料 结构在飞机制造工业中的应用必将越来越多 1 3 复合材料结构高速冲击时损伤概论 1 3 1 引言 虽然复合材料因其特有的优异性能在航空工业中应用越来越广泛，但是复 合材料本身抗冲击性能差的特点也日益影响到它的应用范围，使得它不能发挥 2 南京航空航天大学硕士学位论文 出应有的效益如按美国波音公司的规定，在军用飞机的次承力结构上复合材 料设计的许用压缩应变为4 0 0 0 1 1 e ，在民用飞机主承力结构上应用复合材料， 其设计许用压缩应变仅为2 7 0 0 ue ，而一般认为，在飞机机翼、机身等一类主 承力结构上应用复合材料只有设计许用压缩应变达到或超过6 0 0 0ue 时，才 能真正发挥出复合材料的优势根据现有的资料复合材料层合板的压缩破坏 应变几乎接近于i 0 0 0 0ue ，但是考虑到冲击损伤后其设计许用压缩应变只 能取到二、三千微应变根本无法发挥复合材料的优势。为了提高复合材料 设计用值，必须就复合材料结构承受冲击问题进行深入研究，弄清冲击损伤的 作用机理和确定冲击损伤容限。研究物体间接触一撞击问题是解决这些问题 的基础和关键，其实不仅在复合材料应用领域中研究撞击问题有实际价值， 而且在汽车工业、航天领域、仪表、机械制造等许多领域同样有着实际应用 背景。对于卫星空间站等大型空间轨道结构，所受到的载荷形式主要也是冲 击载荷，如外太空的微流星碰撞、轨道机动、空间站对接等等，同样存在着 分析冲击动响应问题的实际应用。 1 3 2 关于低速高能冲击的其他研究 含复合材料结构的飞行器( 如直升机) 的坠撞和意外撞击问题，可以抽 象为其主要承载的复合材料构件的高速或中等速度大质量冲击问题复合材料结 构的冲击按冲击能量可分为：高能量冲击、中等能量冲击和低能量冲击；按冲击 速度可分为：高速冲击、中等速度冲击和低速冲击。近些年来对复合材料结构冲 击的研究受到各国的广泛重视。对复合材料结构冲击的研究涉及许多方面。 s e r g e 、c a n t w e l l 等一些学者研究了复合材料在低速冲击时的动力学响应，估算 和测量了接触力历史和结构整体响应，为研究冲击损伤提供分析基础。m o r t o n 、 e l b e r 、l a g a c e 、t e h 、s c h o e p p n e r 及b o u a d i 等很多研究人员研究了复合材料结 1 南京航空航天大学硕士学位论文 出应有的效益如按美国波音公司的规定，在军用飞机的次承力结构上复合材 料设计的许用压缩应变为4 0 0 0 1 1 e ，在民用飞机主承力结构上应用复合材料， 其设计许用压缩应变仅为2 7 0 0 ue ，而一般认为，在飞机机翼、机身等一类主 承力结构上应用复合材料只有设计许用压缩应变达到或超过6 0 0 0ue 时，才 能真正发挥出复合材料的优势根据现有的资料复合材料层合板的压缩破坏 应变几乎接近于i 0 0 0 0ue ，但是考虑到冲击损伤后其设计许用压缩应变只 能取到二、三千微应变根本无法发挥复合材料的优势。为了提高复合材料 设计用值，必须就复合材料结构承受冲击问题进行深入研究，弄清冲击损伤的 作用机理和确定冲击损伤容限。研究物体间接触一撞击问题是解决这些问题 的基础和关键，其实不仅在复合材料应用领域中研究撞击问题有实际价值， 而且在汽车工业、航天领域、仪表、机械制造等许多领域同样有着实际应用 背景。对于卫星空间站等大型空间轨道结构，所受到的载荷形式主要也是冲 击载荷，如外太空的微流星碰撞、轨道机动、空间站对接等等，同样存在着 分析冲击动响应问题的实际应用。 1 3 2 关于低速高能冲击的其他研究 含复合材料结构的飞行器( 如直升机) 的坠撞和意外撞击问题，可以抽 象为其主要承载的复合材料构件的高速或中等速度大质量冲击问题复合材料结 构的冲击按冲击能量可分为：高能量冲击、中等能量冲击和低能量冲击；按冲击 速度可分为：高速冲击、中等速度冲击和低速冲击。近些年来对复合材料结构冲 击的研究受到各国的广泛重视。对复合材料结构冲击的研究涉及许多方面。 s e r g e 、c a n t w e l l 等一些学者研究了复合材料在低速冲击时的动力学响应，估算 和测量了接触力历史和结构整体响应，为研究冲击损伤提供分析基础。m o r t o n 、 e l b e r 、l a g a c e 、t e h 、s c h o e p p n e r 及b o u a d i 等很多研究人员研究了复合材料结 1 复合材料结构较高速冲击的力学分析 构在低速冲击时损伤的起始与发展以及影响损伤的诸因素，建立了多种损伤的起 始和分层扩展的准则。s p r i n g e r 、d o s t 、w i l li a m s 、w y r i c k 、g u i l d 、c h a i 和d a v i d s c n 等研究了低速冲击损伤对结构剩余性能( 剩余压缩强度、剩余刚度和疲劳寿命) 的影响，建立了基于实验的半经验估算方法和基于“分层断裂力学”的分层失稳 扩展分析方法。s i e r a k o w s k i 、p r a n a d y 等研究了低速冲击中能量吸收问题。美 国俄亥俄州戴顿大学研究中心的弗里德里克s 、罗伯特a 布鲁克曼的高速软 体冲击的有限元分析。我国南航乔新、昂海松教授等人关于飞行器雷达罩鸟撞的 数值模拟研究。英国d o r e y g 等分析了纤维增强复合材料受冲击载荷损伤的过 程。美国航空航天局c h a m i s c 和s i n d a i r j h 采用静力模型、瞬态有限元模 型等多种方法对玻璃环氧、开芙拉环氧树脂材料冲击断裂过程中冲击阻尼、能 量吸收机理进行了分析。 1 3 3 汽车材料在实车碰撞中的研究现状 交通车辆撞击问题也属于大面积撞击问题，与飞行器坠撞事件有着相似性，这 一类问题已经引起各方面的关注同济大学在为上海市外环高速公路立交桥交通 隔离防护栏进行设计时，主要是从理论力学角度来考虑交通车辆与防护栏相撞问 题，这种方法还不是非常令人满意。 现在已开始采用冲击能量吸收型内饰来提高车辆的安全性。具有适当硬度和 柔软性的内饰可以吸收撞车时的冲击能量，以减轻对乘员的冲撞伤害程度，有可 能显著减轻h i c ( 头部伤害评价标准) 值。同时确保驾驶视野和车厢空间。因为， 一般说来，当头部与高强度的部件冲撞时，对头部伤害程度增加。 对于冲击能量吸收型内饰材料的具体组成成分，以及如何测定其性能。是目 前汽车行业中一项新的技术课题。 以下为对各种冲击能量吸收型材料的动态压缩实验结果( 见图卜1 ) 。 4 复合材料结构较高速冲击的力学分析 构在低速冲击时损伤的起始与发展以及影响损伤的诸因素，建立了多种损伤的起 始和分层扩展的准则。s p r i n g e r 、d o s t 、w i l li a m s 、w y r i c k 、g u i l d 、c h a i 和d a v i d s c n 等研究了低速冲击损伤对结构剩余性能( 剩余压缩强度、剩余刚度和疲劳寿命) 的影响，建立了基于实验的半经验估算方法和基于“分层断裂力学”的分层失稳 扩展分析方法。s i e r a k o w s k i 、p r a n a d y 等研究了低速冲击中能量吸收问题。美 国俄亥俄州戴顿大学研究中心的弗里德里克s 、罗伯特a 布鲁克曼的高速软 体冲击的有限元分析。我国南航乔新、昂海松教授等人关于飞行器雷达罩鸟撞的 数值模拟研究。英国d o r e y g 等分析了纤维增强复合材料受冲击载荷损伤的过 程。美国航空航天局c h a m i s c 和s i n d a i r j h 采用静力模型、瞬态有限元模 型等多种方法对玻璃环氧、开芙拉环氧树脂材料冲击断裂过程中冲击阻尼、能 量吸收机理进行了分析。 1 3 3 汽车材料在实车碰撞中的研究现状 交通车辆撞击问题也属于大面积撞击问题，与飞行器坠撞事件有着相似性，这 一类问题已经引起各方面的关注同济大学在为上海市外环高速公路立交桥交通 隔离防护栏进行设计时，主要是从理论力学角度来考虑交通车辆与防护栏相撞问 题，这种方法还不是非常令人满意。 现在已开始采用冲击能量吸收型内饰来提高车辆的安全性。具有适当硬度和 柔软性的内饰可以吸收撞车时的冲击能量，以减轻对乘员的冲撞伤害程度，有可 能显著减轻h i c ( 头部伤害评价标准) 值。同时确保驾驶视野和车厢空间。因为， 一般说来，当头部与高强度的部件冲撞时，对头部伤害程度增加。 对于冲击能量吸收型内饰材料的具体组成成分，以及如何测定其性能。是目 前汽车行业中一项新的技术课题。 以下为对各种冲击能量吸收型材料的动态压缩实验结果( 见图卜1 ) 。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 汽车设计时必须要考虑的重要因素是当汽车发生碰撞时如何减轻对乘员的 伤害程度。常采用的方案为： ( 1 ) 通过车身结构改进，吸收撞车时的冲击力，在撞车后残缺损坏的车厢中， 减轻对乘员的二次冲伤和伤害： ( 2 ) 撞车后，防止乘员对车厢部件的冲击或即使发生碰撞，尽可能减轻伤害程 度； ( 3 ) 防止车辆碰撞后引起火灾。 ：j t：ji ：! t；t ? l。歹 ，7 j 。 ! ， j 。| - t 。一r 一 一，_ 一 l 一- i p f 芦 隅艮一釜一 l i s ：jt ：一 k o 。 i j - j 1 彩i 瓢 泔矿 ：。l 尹 “i l| ，融 隧粼孵 髟 苫j 以 ，。 ，+， 图卜1 各种冲击吸收材料的动态冲击试验结果 a 一夹具b 一橡胶c 一胶体d 一聚乙烯e 一聚氨酯f 一毡 h 一聚丙烯空心横向一位移量( 珊) 纵向一冲击力( k n ) 汽车运动方式是以车身的质量与速度的平方成正比例的运动能量形式进行运 动，发生碰撞时运动能量大大部分将通过车身变形而被吸收，因而对于车身设计 e 复合材料结构较高速冲击的力学分析 的安全性，主要考虑以下两点，即如何利用车身变形吸收能量以减少对乘员的冲 击力；以及如何防止作为乘员生存空间的车厢的变形。车身前部设计主要采取的 措施有：安装、增强防低速冲撞的保险杠：在发动机、变速箱等辅机部位采用凸 焊缝结构、高张力钢板和车架结构等。对车身侧面，可改进横向刚度和强度、在 内车门与内侧装饰件之间插入缓冲挚、取消座椅靠手，减少内部凸起物等。 1 。4 结束语 以上简略介绍了汽车工业、航空工业中复合材料结构的应用及遭受中高速冲 击的研究情况。本课题的考虑方案是：为保证高能冲击对复合材料结构造成的破 坏性最小，在设计时先确保结构的一定力学强度、足够的抗冲击强度以及良好的 弹性、刚性和散热性等：在设计模型建立后建立初步的复合材料层扳动态有限 元方程进行非线性动力学有限元动态数值模拟复合材料承受冲击的过程，模拟 的结果应与设计的构型相拟合，即能够为先进复合材料结构的叠层设计提供初步 的理论参考依据。 - - l _ _ l - l _ l l - _ - l _ l _ _ _ _ _ _ 一- _ _ 。_ _ - - _ 。一 ：i 6 复合材料结构较高速冲击的力学分析 的安全性，主要考虑以下两点，即如何利用车身变形吸收能量以减少对乘员的冲 击力；以及如何防止作为乘员生存空间的车厢的变形。车身前部设计主要采取的 措施有：安装、增强防低速冲撞的保险杠：在发动机、变速箱等辅机部位采用凸 焊缝结构、高张力钢板和车架结构等。对车身侧面，可改进横向刚度和强度、在 内车门与内侧装饰件之间插入缓冲挚、取消座椅靠手，减少内部凸起物等。 1 。4 结束语 以上简略介绍了汽车工业、航空工业中复合材料结构的应用及遭受中高速冲 击的研究情况。本课题的考虑方案是：为保证高能冲击对复合材料结构造成的破 坏性最小，在设计时先确保结构的一定力学强度、足够的抗冲击强度以及良好的 弹性、刚性和散热性等：在设计模型建立后建立初步的复合材料层扳动态有限 元方程进行非线性动力学有限元动态数值模拟复合材料承受冲击的过程，模拟 的结果应与设计的构型相拟合，即能够为先进复合材料结构的叠层设计提供初步 的理论参考依据。 - - l _ _ l - l _ l l - _ - l _ l _ _ _ _ _ _ 一- _ _ 。_ _ - - _ 。一 ：i 6 复合材料结构较高速冲击的力学分析 第二章复合材料结构冲击损伤 基本理论 2 1 冲击现象及影响因素 冲击是指抛射物以一定速度向被撞击物进行撞击，在撞击瞬间能量进行急剧 转化的现象 冲击现象的共同特点是载荷强度高，作用时间短，尤其作用时间短是区别于其 他一般力学现象的重要特征。在冲击现象中，作用时间一般为毫秒、微秒，甚至 毫微秒数量级，在这么短时间内完成施加高强度载荷，以及在被作用物体内造成 极高的压力或应力引起被作用物体内介质运动和材料破坏，这是一系列随时间 变化的动态过程。 抛射物冲击被撞击物所发生的现象与抛射物、被撞击物和冲击过程中许多因 素有关。这些因素主要是：抛射物结构和材料特性、被撞击物结构和材料特性、 冲击速度和角度等。 与冲击效应有关的主要复合材料层合板的材料参数，是层合板的密度和硬度 等。密度越大、硬度越高由地面冲击反射所造成的层合板破坏程度越严重，对 于小质量、高速撞击的弹体来说，高强度合金钢、钨合金和铀合金才是制作弹体 的理想材料。 被撞击物材料的物理性能如密度、硬度、屈服极限和强度极限对冲击效应 都有明显作用，其按材料可分为轻材料、中等重材料和重材料，土壤、岩石等属 轻材料：另外也可根据按抵抗抛射体侵入能力分为低阻抗材料、中阻抗材料和 高阻抗材料，低阻抗材料主要指土壤其疏松多孔，多为颗粒状，在很大程度上 存在不均匀性和各向异性，中阻抗材料如混凝土、砖石、低强度金属等。这类混 合物材料均匀性较好大部分能采用各向同性假设。 7 复合材料结构较高速冲击的力学分析 第二章复合材料结构冲击损伤 基本理论 2 1 冲击现象及影响因素 冲击是指抛射物以一定速度向被撞击物进行撞击，在撞击瞬间能量进行急剧 转化的现象 冲击现象的共同特点是载荷强度高，作用时间短，尤其作用时间短是区别于其 他一般力学现象的重要特征。在冲击现象中，作用时间一般为毫秒、微秒，甚至 毫微秒数量级，在这么短时间内完成施加高强度载荷，以及在被作用物体内造成 极高的压力或应力引起被作用物体内介质运动和材料破坏，这是一系列随时间 变化的动态过程。 抛射物冲击被撞击物所发生的现象与抛射物、被撞击物和冲击过程中许多因 素有关。这些因素主要是：抛射物结构和材料特性、被撞击物结构和材料特性、 冲击速度和角度等。 与冲击效应有关的主要复合材料层合板的材料参数，是层合板的密度和硬度 等。密度越大、硬度越高由地面冲击反射所造成的层合板破坏程度越严重，对 于小质量、高速撞击的弹体来说，高强度合金钢、钨合金和铀合金才是制作弹体 的理想材料。 被撞击物材料的物理性能如密度、硬度、屈服极限和强度极限对冲击效应 都有明显作用，其按材料可分为轻材料、中等重材料和重材料，土壤、岩石等属 轻材料：另外也可根据按抵抗抛射体侵入能力分为低阻抗材料、中阻抗材料和 高阻抗材料，低阻抗材料主要指土壤其疏松多孔，多为颗粒状，在很大程度上 存在不均匀性和各向异性，中阻抗材料如混凝土、砖石、低强度金属等。这类混 合物材料均匀性较好大部分能采用各向同性假设。 7 复合材料结构较高速冲击的力学分折 材料性质和状态通常都采用一种模型来描述这种模型既要反映物相状态， 也能反映材料性能。大多数被撞击物都采用固体模型，固体在低应力状态时产生 弹性变形，当应力超过屈服极限后出现永久变形当应力达到强度极限时产生断 裂破坏。超高速冲击将会产生很高压力 流体模型，流体模型既可以是可压缩的 这时固体变形反映出流体特性，需采用 也可以是不可压缩性的，既可以是粘性 的，也可以是非粘性的，有时撞击物需要用组合模型来描述，例如一部分是固体。 一部分是流体的组合模型以及弹塑性、粘体和流体特性的组合模型。 冲击速度是造成冲击现象的最主要原因冲击速度变化对冲击现象影响最 大，冲击速度在5 0 0 m s 以下为低速范围，在这个速度范围内，冲击载荷远低于 抛射物和被撞击物的强度极限，通常假设撞击体为刚体不考虑弹性变形问题， 只是对撞击物作一些简单强度假设进行计算。 冲击速度在5 0 0 1 3 0 0 m s 为中高速范围，一般来说，民航飞机正常飞行速度 为7 8 0 k m h 1 2 0 0 k m h ，军用飞机飞行速度比此要高一些，但目前来看也不高于 3 0 0 0 k m h ，在发生突然坠撞时，由一般动力学公式可推得其撞地速度应在此范 围内，在这个速度范围内，冲击载荷与抛射物、被撞击物材料强度极限相当或 略低于抛射物、被撞击物材料强度极限，抛射物和被撞击物弹塑性变形- 断裂过 程明显地显示出来材料强度起着明显的作用，问题比较复杂，通常采用一些变 形和破坏模型进行描述。 冲击速度在1 3 0 0 r i d s 以上为超高速范围冲击载荷高于抛射物、被撞击物材 料强度极限几倍可考虑采用流体模型进行模拟。 冲击角度对飞机坠撞也有影响，因为坠撞时冲击速度较大坠撞体来不及翻 转较大角度时已经侵入地表内一定深度此时，抛射物、被撞击物接触面改变， 抛射物抗力反向撞击物轴反向转动，使得撞击体翻转力矩减小以致改变符号，这 样飞机在侵彻地表土壤的过程中产生明显转弯最终以减小的角度扎入了地表内 层。 2 2 冲击对介质作用及介质对冲击响应 冲击及其所造成的爆炸都是能量非常集中，并且瞬间进行急剧能量转化的现 象，这种剧烈的能量转换在周围介质中将引起强烈的作用以致造成被作用物体 的严重变形和破坏。 高速冲击后，如与空气气流急剧摩擦发生爆炸，将会瞬间形成一团高温、高 压的气体产物。其压力比周围空气压力高得多必将迅速向外进行膨胀迅速膨 胀的高压气体产物如同一个巨大活塞一样以超声波速度剧烈冲击压缩着周围原 且 复合材料结构较高速冲击的力学分折 材料性质和状态通常都采用一种模型来描述这种模型既要反映物相状态， 也能反映材料性能。大多数被撞击物都采用固体模型，固体在低应力状态时产生 弹性变形，当应力超过屈服极限后出现永久变形当应力达到强度极限时产生断 裂破坏。超高速冲击将会产生很高压力 流体模型，流体模型既可以是可压缩的 这时固体变形反映出流体特性，需采用 也可以是不可压缩性的，既可以是粘性 的，也可以是非粘性的，有时撞击物需要用组合模型来描述，例如一部分是固体。 一部分是流体的组合模型以及弹塑性、粘体和流体特性的组合模型。 冲击速度是造成冲击现象的最主要原因冲击速度变化对冲击现象影响最 大，冲击速度在5 0 0 m s 以下为低速范围，在这个速度范围内，冲击载荷远低于 抛射物和被撞击物的强度极限，通常假设撞击体为刚体不考虑弹性变形问题， 只是对撞击物作一些简单强度假设进行计算。 冲击速度在5 0 0 1 3 0 0 m s 为中高速范围，一般来说，民航飞机正常飞行速度 为7 8 0 k m h 1 2 0 0 k m h ，军用飞机飞行速度比此要高一些，但目前来看也不高于 3 0 0 0 k m h ，在发生突然坠撞时，由一般动力学公式可推得其撞地速度应在此范 围内，在这个速度范围内，冲击载荷与抛射物、被撞击物材料强度极限相当或 略低于抛射物、被撞击物材料强度极限，抛射物和被撞击物弹塑性变形- 断裂过 程明显地显示出来材料强度起着明显的作用，问题比较复杂，通常采用一些变 形和破坏模型进行描述。 冲击速度在1 3 0 0 r i d s 以上为超高速范围冲击载荷高于抛射物、被撞击物材 料强度极限几倍可考虑采用流体模型进行模拟。 冲击角度对飞机坠撞也有影响，因为坠撞时冲击速度较大坠撞体来不及翻 转较大角度时已经侵入地表内一定深度此时，抛射物、被撞击物接触面改变， 抛射物抗力反向撞击物轴反向转动，使得撞击体翻转力矩减小以致改变符号，这 样飞机在侵彻地表土壤的过程中产生明显转弯最终以减小的角度扎入了地表内 层。 2 2 冲击对介质作用及介质对冲击响应 冲击及其所造成的爆炸都是能量非常集中，并且瞬间进行急剧能量转化的现 象，这种剧烈的能量转换在周围介质中将引起强烈的作用以致造成被作用物体 的严重变形和破坏。 高速冲击后，如与空气气流急剧摩擦发生爆炸，将会瞬间形成一团高温、高 压的气体产物。其压力比周围空气压力高得多必将迅速向外进行膨胀迅速膨 胀的高压气体产物如同一个巨大活塞一样以超声波速度剧烈冲击压缩着周围原 且 南京航空航天大学硕士学位论史 来静止的空气使其压力、密度突跃升高，形成很强的冲击波，冲击波是空气爆 炸时材料结构对周围物体破坏的主要形式，并且在很大范围内对建筑物和人员 都有损伤作用。 材料在岩土中爆炸后，由原来仅占很小体积的块团物质进行化学反应，立即 变成数百倍体积的高温、高压气体产物并以冲击波形式作用于包围冲击物的周 围岩石土壤中，使岩土产生变形和运动，以致破坏原来结构状态。由于岩土变形 速度比冲击波速度小得多，这样冲击波多次反射后，使产物压力趋于均匀化。 当抛射物撞击地表表面，发生爆炸时除由于高压爆轰产物和初始冲击波的 强烈冲击压缩，在物体表面上形成凸坑及其它破坏之外，爆炸产生的冲击波还会 继续向复合材料结构内部传播，此冲击波到达结构背面时在背面产生反射拉伸 波。大多数固体材料尤其是脆性材料会产生层裂现象。 当抛射物以一定速度冲击被撞击物时，主要以动能形式对被撞击物进行作 用。撞击物的速度不同，撞击物和被撞击物性质不同，复合材料结构内出现的现 象也不同，如果复合材料结构冲击速度很低复合材料结构只会出现弹性变形， 随着其冲击速度提高，复合材料结构会产生永久变形，冲击速度超过一定值后， 复合材料结构会产生碎裂。 2 3 冲击对介质的作用 撞击物冲击被撞击物所产生的应力高于复合材料层合板材料强度极限时，层 合板将会发生断裂破坏这种破坏形式与复合材料层合板形状和材料及冲击速度 有关。对脆性厚层台板，当初始冲击应力波传播至层合板背面时，在其背面发生 反射反射拉伸波与入射压缩波叠加。在层合板内某个位置上其拉伸应力超过材 料拉伸强度就会致使材料内部出现一层层裂纹，以及形成断裂下来的碎片。 若层合板超高速冲击地面在地面和层台板内都会产生很强的冲击波，冲击 点处材料达到很高压力和温度，材料在高压、高温作用下会迅速向四周进行流 动，且有许多层合板的残渣从弹坑周围飞溅出去，随着冲击的层合板材料不断渗 入，上述现象继续迸行。同时层合板内的初始冲击波迅速向层合板背面传播， 当冲击波到达背面自由表面时反射为拉伸波在反射拉伸波和初始冲击波共同作 用下层合板内某一位置就可能会因瞬时拉应力超过材料拉伸强度而在背面出现 层裂等破坏形式。 随着层合板厚度的减小当层合板正面冲击的弹坑大小约达到2 3 层合板厚 度时其冲击坑底部达到背部层裂部位，层合板会形成穿孔；当层合板厚度小于 极限穿透厚度时，层合板除穿透外，破碎的材料碎片飞散出去，还具有很强的破 9 南京航空航天大学硕士学位论史 来静止的空气使其压力、密度突跃升高，形成很强的冲击波，冲击波是空气爆 炸时材料结构对周围物体破坏的主要形式，并且在很大范围内对建筑物和人员 都有损伤作用。 材料在岩土中爆炸后，由原来仅占很小体积的块团物质进行化学反应，立即 变成数百倍体积的高温、高压气体产物并以冲击波形式作用于包围冲击物的周 围岩石土壤中，使岩土产生变形和运动，以致破坏原来结构状态。由于岩土变形 速度比冲击波速度小得多，这样冲击波多次反射后，使产物压力趋于均匀化。 当抛射物撞击地表表面，发生爆炸时除由于高压爆轰产物和初始冲击波的 强烈冲击压缩，在物体表面上形成凸坑及其它破坏之外，爆炸产生的冲击波还会 继续向复合材料结构内部传播，此冲击波到达结构背面时在背面产生反射拉伸 波。大多数固体材料尤其是脆性材料会产生层裂现象。 当抛射物以一定速度冲击被撞击物时，主要以动能形式对被撞击物进行作 用。撞击物的速度不同，撞击物和被撞击物性质不同，复合材料结构内出现的现 象也不同，如果复合材料结构冲击速度很低复合材料结构只会出现弹性变形， 随着其冲击速度提高，复合材料结构会产生永久变形，冲击速度超过一定值后， 复合材料结构会产生碎裂。 2 3 冲击对介质的作用 撞击物冲击被撞击物所产生的应力高于复合材料层合板材料强度极限时，层 合板将会发生断裂破坏这种破坏形式与复合材料层合板形状和材料及冲击速度 有关。对脆性厚层台板，当初始冲击应力波传播至层合板背面时，在其背面发生 反射反射拉伸波与入射压缩波叠加。在层合板内某个位置上其拉伸应力超过材 料拉伸强度就会致使材料内部出现一层层裂纹，以及形成断裂下来的碎片。 若层合板超高速冲击地面在地面和层台板内都会产生很强的冲击波，冲击 点处材料达到很高压力和温度，材料在高压、高温作用下会迅速向四周进行流 动，且有许多层合板的残渣从弹坑周围飞溅出去，随着冲击的层合板材料不断渗 入，上述现象继续迸行。同时层合板内的初始冲击波迅速向层合板背面传播， 当冲击波到达背面自由表面时反射为拉伸波在反射拉伸波和初始冲击波共同作 用下层合板内某一位置就可能会因瞬时拉应力超过材料拉伸强度而在背面出现 层裂等破坏形式。 随着层合板厚度的减小当层合板正面冲击的弹坑大小约达到2 3 层合板厚 度时其冲击坑底部达到背部层裂部位，层合板会形成穿孔；当层合板厚度小于 极限穿透厚度时，层合板除穿透外，破碎的材料碎片飞散出去，还具有很强的破 9 复合材料结构较高速冲击的力学分析 坏能力。 2 4 早期效应与总体效应以及介质响应特征 当爆炸、冲击作用于先进复合材料结构层合板时，在层台板内存在一系列能 量传递过程，开始时刻只有受作用部分材料发生变形，进行运动，接着这种作用 传递给邻近材料，使之也进行变形和运动。如此不断，冲击作用由近及远地传递 到层合板的其它部分这种传递过程就是应力波的传播，传递过程中扰动部分和 未扰动部分的分界面就是应力波的波阵面。 应力波传播过程是随时间变化的非定常过程。应力波过后，介质状态发生突 跃变化，波后介质应力突跃增加，且具有一定的运动速度。对于有限厚度的结构 物来说，当应力波传递到结构物背面时应力波发生反射，反射应力波过后介质 状态重新发生变化，反射应力波传播到结构物正面时又要再次反射，这样经过多 次反射后，介质中应力趋于均匀化这时结构物的变形主要显示出随时间的变化 最初阶段应力波传播过程的作用，为爆炸及冲击对介质作用的早期效应，应力波 多次反射后介质所发生的最终变形和破坏，为爆炸、冲击对介质作用的总体效应。 爆炸冲击显著特点是载荷强度高和作用时间短也就是说被作用介质在很短 时间内要受到很大作用力，并且要产生很大变形这也意味着被作用介质处于高 应变率状态，高应变率是介质对冲击动力学响应区别于一般静力学过程的特征之 一。随着应变率的提高，材料的力学性质将会发生显著的变化，通常表现为材料 强度极限的提高，延展性降低，滞后现象严重。 2 5 材料模型 介质对爆炸、冲击响应的状态，与冲击载荷大小有很大关系。对于同一种材 料在低强度载荷的弹性冲击作用下，可以作为刚体处理：在中等强度冲击载荷 作用下，材料必须作为弹塑性固体；在高强度冲击载荷作用下，材料显示出明显 的流体性质，又可以当作可压缩流体。在爆炸、冲击动力学问题中材料模型选 取绝不能只看介质在自然界所存在形式，还一定要考虑载荷作用情况。即使像钢 这样硬的固体材料，在爆炸直接作用下仍可以看作流体处理；而像水这样明显的 流体，在衰减后低强度空气冲击波作用下，也可以作为刚体处理。 宏观上，材料模型可以粗略地划分为弹性体、弹塑性体和流体，当冲击载荷 所引起的应力低于材料屈服极限时，材料变形只在弹性范围内，材料模型应选作 为弹性体，这时候材料性质可用线性应力- 应变关系来表示；当冲击载荷引起的 应力高于材料屈服极限时材料中出现不可恢复的永久变形，材料模型应选作为 弹塑性体，这时候材料性质要考虑弹性应力应变关系、塑性应力应变关系、屈 i o 复合材料结构较高速冲击的力学分析 坏能力。 2 4 早期效应与总体效应以及介质响应特征 当爆炸、冲击作用于先进复合材料结构层合板时，在层台板内存在一系列能 量传递过程，开始时刻只有受作用部分材料发生变形，进行运动，接着这种作用 传递给邻近材料，使之也进行变形和运动。如此不断，冲击作用由近及远地传递 到层合板的其它部分这种传递过程就是应力波的传播，传递过程中扰动部分和 未扰动部分的分界面就是应力波的波阵面。 应力波传播过程是随时间变化的非定常过程。应力波过后，介质状态发生突 跃变化，波后介质应力突跃增加，且具有一定的运动速度。对于有限厚度的结构 物来说，当应力波传递到结构物背面时应力波发生反射，反射应力波过后介质 状态重新发生变化，反射应力波传播到结构物正面时又要再次反射，这样经过多 次反射后，介质中应力趋于均匀化这时结构物的变形主要显示出随时间的变化 最初阶段应力波传播过程的作用，为爆炸及冲击对介质作用的早期效应，应力波 多次反射后介质所发生的最终变形和破坏，为爆炸、冲击对介质作用的总体效应。 爆炸冲击显著特点是载荷强度高和作用时间短也就是说被作用介质在很短 时间内要受到很大作用力，并且要产生很大变形这也意味着被作用介质处于高 应变率状态，高应变率是介质对冲击动力学响应区别于一般静力学过程的特征之 一。随着应变率的提高，材料的力学性质将会发生显著的变化，通常表现为材料 强度极限的提高，延展性降低，滞后现象严重。 2 5 材料模型 介质对爆炸、冲击响应的状态，与冲击载荷大小有很大关系。对于同一种材 料在低强度载荷的弹性冲击作用下，可以作为刚体处理：在中等强度冲击载荷 作用下，材料必须作为弹塑性固体；在高强度冲击载荷作用下，材料显示出明显 的流体性质，又可以当作可压缩流体。在爆炸、冲击动力学问题中材料模型选 取绝不能只看介质在自然界所存在形式，还一定要考虑载荷作用情况。即使像钢 这样硬的固体材料，在爆炸直接作用下仍可以看作流体处理；而像水这样明显的 流体，在衰减后低强度空气冲击波作用下，也可以作为刚体处理。 宏观上，材料模型可以粗略地划分为弹性体、弹塑性体和流体，当冲击载荷 所引起的应力低于材料屈服极限时，材料变形只在弹性范围内，材料模型应选作 为弹性体，这时候材料性质可用线性应力- 应变关系来表示；当冲击载荷引起的 应力高于材料屈服极限时材料中出现不可恢复的永久变形，材料模型应选作为 弹塑性体，这时候材料性质要考虑弹性应力应变关系、塑性应力应变关系、屈 i o 复合材料结构较高速冲击的力学分析 坏能力。 2 4 早期效应与总体效应以及介质响应特征 当爆炸、冲击作用于先进复合材料结构层合板时，在层台板内存在一系列能 量传递过程，开始时刻只有受作用部分材料发生变形，进行运动，接着这种作用 传递给邻近材料，使之也进行变形和运动。如此不断，冲击作用由近及远地传递 到层合板的其它部分这种传递过程就是应力波的传播，传递过程中扰动部分和 未扰动部分的分界面就是应力波的波阵面。 应力波传播过程是随时间变化的非定常过程。应力波过后，介质状态发生突 跃变化，波后介质应力突跃增加，且具有一定的运动速度。对于有限厚度的结构 物来说，当应力波传递到结构物背面时应力波发生反射，反射应力波过后介质 状态重新发生变化，反射应力波传播到结构物正面时又要再次反射，这样经过多 次反射后，介质中应力趋于均匀化这时结构物的变形主要显示出随时间的变化 最初阶段应力波传播过程的作用，为爆炸及冲击对介质作用的早期效应，应力波 多次反射后介质所发生的最终变形和破坏，为爆炸、冲击对介质作用的总体效应。 爆炸冲击显著特点是载荷强度高和作用时间短也就是说被作用介质在很短 时间内要受到很大作用力，并且要产生很大变形这也意味着被作用介质处于高 应变率状态，高应变率是介质对冲击动力学响应区别于一般静力学过程的特征之 一。随着应变率的提高，材料的力学性质将会发生显著的变化，通常表现为材料 强度极限的提高，延展性降低，滞后现象严重。 2 5 材料模型 介质对爆炸、冲击响应的状态，与冲击载荷大小有很大关系。对于同一种材 料在低强度载荷的弹性冲击作用下，可以作为刚体处理：在中等强度冲击载荷 作用下，材料必须作为弹塑性固体；在高强度冲击载荷作用下，材料显示出明显 的流体性质，又可以当作可压缩流体。在爆炸、冲击动力学问题中材料模型选 取绝不能只看介质在自然界所存在形式，还一定要考虑载荷作用情况。即使像钢 这样硬的固体材料，在爆炸直接作用下仍可以看作流体处理；而像水这样明显的 流体，在衰减后低强度空气冲击波作用下，也可以作为刚体处理。 宏观上，材料模型可以粗略地划分为弹性体、弹塑性体和流体，当冲击载荷 所引起的应力低于材料屈服极限时，材料变形只在弹性范围内，材料模型应选作 为弹性体，这时候材料性质可用线性应力- 应变关系来表示；当冲击载荷引起的 应力高于材料屈服极限时材料中出现不可恢复的永久变形，材料模型应选作为 弹塑性体，这时候材料性质要考虑弹性应力应变关系、塑性应力应变关系、屈 i o 南京航空航天大学硕士学位论文 服条件及硬化规则：当冲击载荷引起的应力远远高于材料强度极限时，相比之下 可以忽略材料强度的影响材料模型选作可压缩性流体，用高压状态方程描述材 料性质用流体动力学方法研究问题。 在一些具体情况下，还可以把材料模型选取得更为细致些