多尺度纤维及高强骨料对UHPCC抗多次侵彻的协同效应研究

Precision guide deep earth penetrators have much high collapsing force. Ultra high performance cementitious composites (UHPCC) will be designed and prepared in the project. The ability of UHPCC to resist multiple penetration will be improved by discovering the cooperative effects of multiscale fibers and high strength aggregates.Different scale metal fibers（Ф0.10mm-0.50mm）,organic and inorganic nonmetal fibers（Ф10μm-50μm）,carbon nanofibers（Ф50nm-500nm）will be sellected and mixed. High strength aggregates(basalt,granite,iron ore,corundum, caststone,special ceramics,etc) will be chosen and designed on their type,scale,shape and distribution in the cement matrix. Multiple penetration experiments will be carried on UHPCC with different fibers and aggregates. The damage of targets,the deformation and mass erosion of projectile body will be measured. The calculation models on multiple penetation resistence will be proposed considering material constitution and the number of penetration. The damage factor and stress waves of targets will be measured on multiple penetration. The quantitative relationship will be discovered among the damage factor, multiscal fibers, high strenght agreggates and the number of penetration. A constitutive model of UHPCC on multiple penetration will be proposed based on the visco-elastic theory and damage mechanics. The penetration on different UHPCC will be simulated by finite element method. The design theory of new types of UHPCC will be founded to resist multiple penetration.

精确制导深钻地弹具有极高侵彻破坏力，本项目拟设计制备超高性能水泥基复合材料（UHPCC），通过揭示多尺度纤维和高强骨料的协同效应，提高其抗多次侵彻能力。优化组合不同尺度金属纤维（Ф0.10mm-0.50mm）、有机和无机非金属纤维（Ф10μm-50μm）、碳纳米纤维（Ф50nm-500nm）；优选设计高强骨料（玄武岩、花岗岩、铁矿石、刚玉、铸石、特种陶瓷等）种类、尺度、外形及其在水泥基体中布局。进行不同纤维和骨料组合UHPCC靶体多次侵彻试验，测量靶体破坏程度、弹体变形和质量侵蚀，建立与材料组成和侵彻次数相关的UHPCC抗多次侵彻计算模型。测量靶材在多次侵彻下的损伤变量和应力波，揭示损伤变量与多尺度纤维、高强骨料和侵彻次数的定量关系。基于应力波理论和损伤力学建立UHPCC多次侵彻下的本构方程。采用有限元法模拟不同材料组成UHPCC的侵彻破坏全过程。提出新型UHPCC材料抗多次侵彻设计理论。

精确制导智能钻地武器具有重复打击的特点，如何对抗先进钻地弹连续攻击的强大威力，是目前防护工程亟待解决的重大技术难题。超高性能水泥基复合材料（UHPCC）具有超高强、高延性、高耐久性等优异性能，采用UHPCC材料的防护工程结构具有显著抗侵彻抗爆炸能力。.本项目采用不同尺度、不同品种的纤维和高强骨料混杂增强技术，制备出了超高性能水泥基复合材料。系统研究了材料组成及养护条件对UHPCC基本力学性能的影响规律，提出了抗多次侵彻UHPCC的材料组成及制备工艺。.对不同配比的UHPCC靶体进行了二次和三次高速侵彻试验。测量了不同侵彻次数下各系列靶体的侵彻深度、破坏面积、损伤变量、弹体偏转、弹体变形和质量侵蚀。研究了多尺度纤维和高强骨料的优化组合对UHPCC抗弹体侵彻、偏转弹体运动方向的影响规律。研究表明通过不同纤维及骨料分布获得的双层和三层组合结构UHPCC材料具有优异的抗多次侵彻性能。与常规混凝土和单层UHPCC相比，组合结构的UHPCC具有迎弹面开坑面积小、背弹面无剥落震塌、多次侵彻深度显著降低的优势。在实验基础上提出了UHPCC多次侵彻深度计算方程，模型计算结果与实测数据非常接近。.采用有限元模拟技术研究了侵彻冲击下弹靶作用全过程，优选合适的子弹和混凝土材料模型（Johnson-Cook模型、REL3模型、RHT模型等）并根据材料特性进行合理修正，通过静态力学实验和抗侵彻实验结果拟合得到模型的相关参数，揭示了UHPCC侵彻破坏全过程及其影响因素。模拟结果表明靶体强度、骨料间距、弹头形状和侵彻速度对靶体侵彻破坏形态、应力波传播、损伤分布有显著影响。通过选择合适的骨料间距和混凝土本构参数，计算模拟的侵彻深度和弹坑直径与采用搅拌-灌注复合工艺制备的双层UHPCC靶体的实测结果十分吻合。.本项目研究提出了新型单层及多层组合结构UHPCC材料的设计及制备方法、多次侵彻计算模型及抗侵彻有限元模拟方法。研究成果在国防和人防工程、核电站防护、核废料固封、反恐抗爆工程等领域有广泛的应用前景。