超高速碰撞下材料的破碎机理与防护设计

超高速碰撞下材料破碎的颗粒尺度与速度分布由冲击载荷、材料微细观结构等诸多因素决定，对于实验原位诊断与数值仿真均具有挑战性。对于纤维类防护结构，冲击波作用下纤维响应的特征时间尺度与空间尺度分别用纤维直径d与d/Ds表征，Ds为冲击波速度，从而纤维材料的冲击动力学行为具有强局域性。本项目从防护结构优化设计出发，设计高速碰撞分解实验研究碎片云展开特性；在AUTODYN程序二次开发平台上建立恰当的材料断裂模型、碎片云展开模型，以及碎片云与结构单元高速撞击的计算模型，从而结合理论模型、数值仿真，与实验设计以研究匀质与纤维类细观非均匀材料的断裂与破碎机理。高速碰撞时材料的破碎与展开是Whipple型防护结构设计的基础，基于破碎模型模拟防护单元的冲击响应过程，本项目希冀建立结构单元超高速撞击的防护性能评估流程，为纤维材料防护结构的优化设计奠定基础。

碎片云是高速碰撞的主要现象之一，其粒度及动量分布构成冲击压缩与后继稀疏波作用下材料相变（如熔化）、破碎机理研究的基础，亦是防护结构弹道性能分析及优化设计的要素。.本项目发展了瞬态动量测试技术，获取了匀质铝合金及碳纤维增强复合材料靶板受高速碰撞产生碎片云的动量分布。实验表明在2-6km/s高速碰撞条件下，碳纤维复合材料靶板产生的碎片云扩散性能显著优于铝合金，且球形弹丸产生的碎片云扩散性能优于平板状飞片。碎片云动量测试数据为超高速碰撞数值计算模型的检验与修正提供了依据。本项目应用光滑粒子动力学方法(SPH)开展碎片云形成与扩展过程的数值模拟。通过数值计算与碎片云动量测试数据的对比，项目组优化了计算模型的诸多参数，如粘性系数、破坏判据等。.碎片云模型是高速碰撞防护结构设计的重要研究内容。传统Whipple结构由缓冲层与后墙组成，其中缓冲层受撞击产生微米尺度颗粒组成的碎片云，而后墙承受碎片颗粒离散与连续的冲击作用产生侵彻坑、大变形与穿孔破坏。高速撞击过程中尺度的变化是计算模型遇到的最大挑战。对碎片云动量测试的数值模拟亦表明，高达800万SPH粒子计算规模仍然无法精细表征碎片云前沿的动量分布。本项目重点开展两方面的计算模型研究。首先，对于铝合金Whipple结构，碎片云模型由离散的SPH粒子与微尘埃（连续介质）组成，采用平均化方法逐次缩减计算中的SPH粒子，研究碎片云与Whipple后墙作用的强冲击、大变形与穿孔破坏三个不同时间尺度过程。其次，开展了纤维增强复合材料的计算模型研究。由于纤维与基体材料的阻抗与强度失配，强冲击作用下复合材料的压缩与破坏具有强局域特征。利用SPH方法依据纤维织构建立计算模型，复合材料各向异性本构关系通过纤维与基体材料力学参数及其织构确定，分别表征冲击条件下材料变形与破坏的局域与非均匀特性。开展了复合材料碎片云模型研究、防护结构优化设计等工作，计算模拟了纤维强度、编织方式、排布等对防护性能的影响。.在极高速碰撞条件下，高速碎片云对Whipple结构后墙产生显著的侵彻破坏。项目组设计与制备了陶瓷梯度涂层靶板，应用电炮装置直接发射7km/s以上速度的碎片云撞击靶板，实验表明3.2mm厚度的Ly12合金复合靶板，当撞击面采用0.2mm厚度的陶瓷涂层，显著地提高了结构抗侵彻性能。为防护结构设计与性能评估提供有意义的参考。