C-SiC復合材料抗沖擊特性及其數(shù)值模擬中的核心算法研究.pdf

1、隨著“防-隔熱與結(jié)構(gòu)一體化”先進設(shè)計理念的提出，飛行器熱防護系統(tǒng)在高溫、微流星體等復雜服役環(huán)境下的整體抗沖擊性能正在受到各個發(fā)達國家的重視。平紋編織C/SiC復合材料(2D-C/SiC)克服了傳統(tǒng)陶瓷材料脆性大和可靠性差的弱點，具有高比強度、高比模量、耐高溫、抗氧化和低密度等諸多優(yōu)點，在熱防護領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。因此開展2D-C/SiC材料的抗沖擊性能試驗和仿真計算研究，較好地描述材料在惡劣環(huán)境下的力學行為，為該材料的推廣應(yīng)用具有重要

2、的工程意義。然而，2D-C/SiC材料在高速沖擊載荷作用下典型粉末化破壞行為的數(shù)值仿真對計算工具提出了挑戰(zhàn)。無網(wǎng)格SPH方法利用一系列離散分布的粒子表示整個物理模型，粒子之間不需要網(wǎng)格進行連接，在具有自由表面、可變性邊界、沖擊、爆炸等動態(tài)大變形問題中具有明顯優(yōu)勢。但是，SPH方法自身仍然存在一定的數(shù)值缺陷，改進和發(fā)展具有快速高精度的計算方法理論體系，對準確描述材料的力學行為以及損傷破壞過程是至關(guān)重要的。
　　本文的研究工作主要圍繞

3、2D-C/SiC復合材料展開，通過試驗和數(shù)值研究分析了平紋編織C/SiC復合材料的高溫高速抗沖擊特性，同時針對數(shù)值模擬中所采用的核心計算方法(SPH)的廣義形式(有限粒子法FPM)進行了理論改進研究。主要內(nèi)容如下：
　　1、分別基于空氣炮、電炮加載裝置及自主設(shè)計的同步加熱-冷卻實驗裝置完成了2D-C/SiC復合材料在室溫及高溫耦合環(huán)境下沖擊速度79m/s~219m/s范圍內(nèi)的鋼球沖擊實驗及室溫環(huán)境下沖擊速度3400m/s~9300

4、m/s范圍內(nèi)的Mylar飛片撞擊實驗。在實驗過程中，利用高速攝影儀記錄了沖擊過程中碎片云的發(fā)展形態(tài)；利用PMI泡沫板對碎片進行了收集，分析了碎片云結(jié)構(gòu)；利用全光纖位移干涉儀記錄了試樣背部的自由面速度歷程；利用超聲波掃描儀對沖擊后試樣的內(nèi)部損傷進行了無損檢測。
　　2、基于上述實驗結(jié)果，對2D-C/SiC材料在沖擊載荷作用下的損傷演化過程和破壞機理進行了分析。結(jié)果表明：(1)在沖擊載荷作用下，2D-C/SiC材料主要存在四種能量轉(zhuǎn)化

5、形式，即材料分層、纖維斷裂、基體粉化和碎片剝落，其中中間兩種為2D-C/SiC材料的主要沖擊損傷模式；(2)室溫環(huán)境下，厚度3mm的2D-C/SiC薄板的臨界穿透能量為2.66J，材料損傷面積呈現(xiàn)“三階段”變化趨勢，即陡增段、線性段和平穩(wěn)段；(3)當沖擊能量約為13J時，室溫環(huán)境和高溫環(huán)境下?lián)p傷面積的變化趨勢存在轉(zhuǎn)折點。對于低能沖擊，高溫環(huán)境下2D-C/SiC臨界穿透能量更高；隨著沖擊能量逐漸增加，高溫環(huán)境下2D-C/SiC材料損傷面積

6、會迅速增大。
　　3、基于Autodyn商用軟件正交各向異性材料本構(gòu)模型，推導了用于描述2D-C/SiC材料沖擊響應(yīng)的材料參數(shù)。分別在低速沖擊與超高速沖擊數(shù)值模擬中，針對碎片云團結(jié)構(gòu)、碎片云團軸向速度、損傷破壞模式及靶板自由面速度四個方面與實驗結(jié)果進行合理性和準確性的對比驗證。針對球形彈丸撞擊情形，根據(jù)2D-C/SiC碎片云團特點，選取彈丸剩余速度、碎片云軸向平均速度及分散角作為主要表征參數(shù)，并以球形彈丸-薄板撞擊模型為對象，對多

7、種工況下C/SiC面板的抗沖擊性能進行了規(guī)律分析和評估，獲取了鋼彈丸沖擊C/SiC材料的極限侵徹深度預(yù)測公式；針對飛片撞擊情形，得到了飛片的極限直徑、靶板的極限厚度等計算結(jié)果；針對雙層板模型，對C/SiC與鋁板在鋁球沖擊下的碎片云形態(tài)進行了模擬比較，發(fā)現(xiàn)了C/SiC碎片云具有明顯的尖端高能區(qū)域，并指出此尖端區(qū)域會對機體造成主要威脅。
　　4、深入分析了一種廣義的SPH方法——有限粒子法(Finite Particle Method

8、，F(xiàn)PM)的基本理論，通過數(shù)值算例說明了FPM方法邊界計算精度高、基函數(shù)選取自由等數(shù)值優(yōu)勢，指出了該方法存在計算不穩(wěn)定和計算時間長的數(shù)值缺陷。
　　5、針對FPM方法上述不足，基于Taylor級數(shù)、矩陣分解理論，建立了一套FPM改進算法理論體系，推導得出了一維和二維情形下，特殊格式的SFPM(Specified Finite Particle Method)方法和廣義格式的GFPM(Generalized Finite Parti