爆炸破片冲击下碳纤维复合材料的吸能性能和失效机制数值模拟OA北大核心

碳纤维增强聚合物(carbon fibre-reinforced polymer,CFRP)复合材料在破片冲击作用下的复杂侵彻行为和失效机制尚不明确,这一现状制约了其在防护领域的应用。针对实验手段在获取侵彻历程信息时面临的监测难度大、成本高昂等问题,构建了CFRP复合材料破片冲击有限元分析(finite element analysis,FEA)模型,采用基于应变的三维Hashin失效准则,并引入强度的速率依赖性关系。通过与实验结果对比,验证了FEA模型的有效性。模拟结果表明,在不同TNT当量和破片距爆点距离的条件下,破片的初速度和撞击倾角存在显著差异。将破片相对于靶板上不同平面间的倾角分别定义为α和β。固定冲击速度仅改变倾角α时,试样的吸能效果和冲击速度敏感性未表现出明显差异,而改变倾角β时试样的吸能效果和冲击速度敏感性差异显著。当β=0°时,CFRP复合材料在195~392 m/s的速度范围内表现出明显的冲击速度敏感性。当α=0°时,CFRP复合材料在195~392 m/s的冲击速度范围内的冲击速度敏感性随着β的增大而逐渐减弱。可视化的侵彻过程和破坏区域表明,接触面积、接触时间和变形程度是导致CFRP复合材料吸能效果和冲击速度敏感性差异的重要因素。