三维正交机织复合材料弹道侵彻多尺度破坏机理

Three-dimensional orthogonal woven composite material, as a rigid armor, has an irreplaceable advantage compared with other woven composite materials in the applications to ballistic penetration protection because of the non-crimp warp yarns, weft yarns and Z-yarns in the preform structure. In this project, a micro/meso/macro multi-scale structure model for the 3D orthogonal woven composite material will be established from fiber/matrix, fiber tows, unit cell to macro structure levels. Based on constitutive relationships which including strain rate effect of fibers, matrix, fabric and composite materials, the trans-scale structure/material coupling constitutive equations will be developed. The series of ballistic impact tests will be conducted for evaluating the impact damage and energy absorption of the 3D orthogonal woven composite materials under ballistic penetration. The ballistic penetration behaviors of the 3D orthogonal woven composite material will also be compared with those of laminated composite material for finding the damage differences. Numerical simulations will be carried out at micro/meso/macro scale for revealing the damage mechanisms of the 3D orthogonal woven composite material with different weaving structure parameters and fiber volume fractions from the multi-scale structure approach with the validations by the experimental results. The requirements of microstructure parameters and design indexes for improving ballistic impact protection capacity will be proposed. From the investigation of this project, the ballistic penetration damage mechanisms of the 3D orthogonal woven composite material will be concluded from multi-scale structure approach for the optimization of the 3D textile composite rigid armor.

三维正交机织复合材料由于不存在经纱、纬纱和Z纱间交织屈曲，具有其他机织复合材料无法比拟的抗冲击侵彻优势。项目以三维正交机织复合材料侵彻防护设计为背景，建立从单纤维/基体、纤维束、单胞和宏观结构的细观/中观/宏观几何结构模型；基于纤维、基体、织物和复合材料四个材料层面应变率效应，引入纱线/基体界面冲击加载破坏特征，分析不同结构尺度下的材料本构；开展系列侵彻实验，研究三维机织复合材料弹道冲击破坏过程和能量吸收，与二维层压复合材料弹道冲击性能并比较其差异；用数值方法在细观/中观/宏观结构尺度计算弹道侵彻破坏过程，与实验印证复合材料弹道多尺度侵彻破坏机理，提出复合材料提高弹道极限的细观结构特征和相应设计指标。项目将在揭示三维机织复合材料细观/中观/宏观层面弹道侵彻破坏机理基础上，发现多尺度结构/材料耦合层面抗侵彻设计原理，应用于三维机织复合材料硬质装甲抗侵彻设计。

三维纺织复合材料由于厚度方向存在增强纤维束和结构整体性，具有高冲击损伤容限，在抗冲击和弹道防护领域有很大应用潜力。项目以三维机织复合材料冲击设计问题为驱动，设计具有高冲击损伤容限复合材料的细观结构。通过揭示三维纺织复合材料冲击破坏在纤维、纤维束、基体和复合材料整体结构层面上表现出的机理，发现抗冲击破坏应具有的材料特征和结构特征，用于复合材料抗冲击设计。主要研究内容：（1）三维机织复合材料多尺度几何结构模型；（2）各级结构模型冲击加载条件下与应变率的耦合本构；（3）复合材料冲击测试和损伤表征；（4）冲击损伤多尺度有限元计算。开展的主要工作是：（1）用实验表征和多结构尺度有限元方法研究三维正交机织复合材料、双轴向多层三维经编针织复合材料和三维编织复合材料在准静态和高应变率压缩条件下的破坏机理，探索三维纺织复合材料冲击压缩性质的结构效应；（2）构建准静态加载下包含弹塑性、后屈应变率软化、塑性流、应变硬化等特征的聚合物普适经验本构形式。三维编织复合材料试件冲击压缩红外热成像特征受内部三维编织增强体影响，高速红外热成像与有限元模拟互为佐证；（3）采用高速摄影记录冲击变形过程，用计算机断层扫描技术和有限元方法表征三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料在多次冲击加载下的内部损伤分布与环境温度、细观结构间的关系；（4）结合显微CT断层扫描技术观察三维编织复合材料在高应变冲击剪切载荷下的内部破坏形态与分布特征，进一步探究其失效机理和能量吸收机制，同时验证有限元模型的有效性。我们发现：（1）三维机织复合材料在多尺度结构层面的冲击加载破坏应变率效应；（2）冲击加载下复合材料和基体材料瞬态温升分布；（3）复合材料冲击破坏的结构效应和失效分布；（4）复合材料吸收冲击能量的多尺度机理。项目研究工作将可应用于抗冲击和弹道侵彻复合材料结构设计，并直接应用于防护装甲和工程结构优化。