爆炸载荷下玻璃纤维增强复合材料蜂窝结构的耗能机理与毁伤特性研究

The organic combination of constituents’ mechanical properties and structures’ topological characteristics is obtained in fiber reinforced composite honeycombs, which greatly improves the energy absorption capacity and the designability of macroscopic mechanical properties of honeycomb structures. In view of its excellent performance, studies on its explosion protection ability have arisen in recent years. However, due to the complex mechanical behavior of fiber reinforced composites under high strain rate and the strong coupling effect between cells of honeycomb structure, it is difficult to accurately predict its dynamic behavior under blast load. In this projects the impact response of the glass fiber reinforced composite and its honeycomb structure will be studied by means of theoretical analysis, numerical simulations and experimental tests. The impact response of composite honeycomb sandwich structure will be studied by multiscale analysis method. The energy dissipation mechanism of composite honeycomb under strong impact load is expected to be revealed. The influences of composite microscopic characteristics on macro-deformation behaviors of honeycomb structure will be studied. The explosive damage mode and its transition conditions of composite honeycomb sandwich panels will be obtained and the quantitative relationship between macro-and micro-scale mechanical properties and protective performance of honeycomb sandwich panels will be grasped. The research results not only provide theoretical and experimental support for the application of composite honeycomb structures in the field of explosion protection, but also provide an important reference for the development of new multi-cell energy dissipation structures.

纤维增强复合材料蜂窝实现了组分材料力学性能和结构拓扑特性的有机结合，大幅提高了蜂窝结构的吸能能力和宏观力学性能的可设计性。鉴于其优秀的综合性能，近年来兴起了对其爆炸防护能力的研究，然而由于高应变率下纤维增强复合材料力学行为复杂，蜂窝结构胞元间存在强耦合效应，导致难以准确预测其在爆炸载荷下的动力学行为。本课题采用理论分析、数值模拟与实验研究相结合的手段，以玻璃纤维增强复合材料及其蜂窝结构为对象，从复合材料细观组分的冲击力学行为出发，多尺度研究复合材料蜂窝夹芯结构的冲击响应，揭示强冲击载荷下复合材料蜂窝耗能机理，阐明复合材料细观组分特性对蜂窝结构宏观变形行为的影响机制，获取复合材料蜂窝夹芯板爆炸毁伤模式及毁伤模式转变条件，掌握蜂窝夹芯板宏细观特性与其防护性能的定量关系。课题成果不仅能够为复合材料蜂窝结构在防护领域的应用提供理论与实验支撑，而且可以为新型多胞耗能元件的开发提供重要借鉴。

纤维增强复合材料蜂窝结构具有质量轻、耗能缓冲特性优异等特点，在爆炸冲击波防护领域具有广阔的应用前景，但目前仍未掌握纤维增强复合材料蜂窝结构冲击耗能特性以及破坏机理，无法防护结构的设计提供理论支撑。. 项目以纤维增强复合材料、复合材料多胞结构以及蜂窝夹芯板为对象，采用理论分析、数值模拟与试验研究相结合的手段，研究了复合材料细观组分的冲击力学行为，揭示了准静态压缩载荷及强冲击载荷下复合材料多胞结构的耗能机理，阐明了复合材料细观组分特性与结构特性对耗能特性的影响规律。课题成果能够为复合材料蜂窝结构在防护领域的应用提供理论与试验支撑，本项目的主要研究内容如下：.（1）建立了考虑应变率效应的玻璃纤维束材料的冲击损伤本构模型以及环氧树脂基体材料动态弹塑性损伤本构模型，并进行了试验验证；.（2）基于细观力学方法预测了玻璃纤维增强单向板弹性常数、强度参数，基于宏观力学方法预测了玻璃纤维复合材料渐进损伤过程，利用渐进均匀化理论建立了细观尺度响应与宏观尺度行为的联系，形成了玻璃纤维增强复合材料多尺度数值分析方法。.（3）开展了玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料单向板试件级冲击实验及玻璃纤维层合板冲击实验，获取了各应变率条件下试件的冲击响应及损伤破坏行为，揭示了冲击条件下玻璃纤维复合材料的损伤破坏机理。.（4）开展了玻璃纤维复合材料多胞结构与碳纤维复合材料多胞结构的准静态压缩耗能特性与破坏机理分析，获取了多胞结构的耗能特性、破坏模式与胞元数量、胞元尺寸的关系。开展了碳纤维多胞结构动态冲击耗能机制与破坏模式分析，研究了铺层角度、铺层数量对耗能特性的影响规律。.（5）开展了纤维增强复合材料蜂窝夹芯防护板爆炸冲击试验与仿真分析，获取了不同复合材料蜂窝夹芯板的破坏模式，分析了其毁伤机理；开展了纤维增强复合材料蜂窝夹芯防护板的工程应用试验研究，验证了复合材料蜂窝夹芯板良好的抗爆性能以及其在特种车辆上工程应用的可能性。