一种非药式水下冲击载荷作用下复合材料板损伤评估方法

本发明属于海洋机动设备在非接触水下爆炸的防护，尤其涉及一种非药式水下冲击载荷作用下复合材料板损伤评估方法。

背景技术：

1、防护材料及结构是用来抵抗高速冲击和侵彻及其冲击应力的破坏作用，研究防护材料及结构的抗冲击性能对保护设备与人员的安全极为重要。金属材料、陶瓷材料和先进复合材料等都可以用作防护材料，但复合材料结构板相比于金属、陶瓷，具有更高的比强度和比刚度，耐腐蚀性和耐久性强，且具有良好的可设计性，在结构抗冲击防护领域有着广泛的研究。碳纤维增强聚合物基复合材料是复合材料中具有代表性的一种，有着优异的力学特性，其比刚度和比强度比金属更高。碳纤维增强聚合物基复合材料通过基体开裂、分层、纤维断裂和脱粘吸收冲击能量。

2、舰艇试验一般采用边界条件为固支的薄板来代替舰艇的局部防护结构。相比于水下实际爆炸实验，非药式非接触水下爆炸冲击波加载技术不需要炸药爆炸加载就可以得到与水下爆炸冲击波特性相同的载荷条件的优势，所以该项加载技术在舰艇局部结构的毁伤验证方面引起了广泛关注，但非药式非接触水下爆炸冲击波加载技术一般主要通过直接获得相应的试验数据对其结果进行验证，其理论计算推导仍旧不完善。因此，基于舰艇结构物的非接触水下爆炸的防护亟需开展针对复合材料结构板及其在非药式非接触水下爆炸试验下损伤评估的研究，来克服传统材料防护结构可设计性低、非药式非接触水下爆炸冲击波加载技术的理论计算不充分的缺陷。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种非药式水下冲击载荷作用下复合材料板损伤评估方法。

2、本发明是这样实现的，一种非药式水下冲击载荷作用下复合材料板损伤评估方法，包括：

3、s1，根据碳纤维织布的材料性能和实际防护需求，预设碳纤维织布层数，按照一定的纤维方向堆叠层压制成碳纤维复合材料板；

4、s2，制备点阵夹心层，与碳纤维复合材料板结合制备碳纤维增强复合材料复合多层防护靶板；

5、s3，采用非药式非接触水下爆炸冲击波载荷加载装置，通过不同飞片质量、不同飞片速度对复合多层防护靶板进行冲击实验，采集实验数据；

6、s4，利用非接触三维dic技术对复合多层防护靶板在非药式非接触水下爆炸冲击波载荷作用下的动态塑性变形进行测量研究；

7、s5，通过冲击波修正公式对冲击波载荷进行修正计算，将得到理论计算值带入有限元软件作为冲击波输入值；进行有限元数值模拟靶板结构受到水下爆炸冲击波载荷的动态响应，采用欧拉-拉格朗日耦合法，计算碳纤维增强复合材料复合多层防护靶板复杂流固耦合和大变形的现象；

8、s6，综合运用实验数据、冲击波修正公式、数值模拟技术，对复合多层防护靶板的受力与变形进行分析，依据变形情况，开展损伤行为评估。

9、进一步地，在s1中，所述碳纤维织布堆叠层压过程中在每层纤维布之间刷上环氧树脂胶作为基质。

10、进一步地，在s2中，所述碳纤维增强复合材料复合多层防护靶板由前后两层碳纤维复合材料板和通过3d打印获得的尼龙点阵芯层构成。

11、进一步地，所述点阵芯层的单胞构型是极小曲面构型，其隐函数数学表达式为：

12、f(x,y,z)＝2(sin(2πx)*cos(2πy)*sin(2πz)+sin(2πx)*sin(4πy)*cos(2πx)+cos(2πx)*sin(2πy)*sin(4πz))+cos(4πx)*cos(4πy)*cos(4πz)+cos(4πx)*cos(4πz)

13、式中，x、y、z分别是空间内部各点在三维空间区域x、y、z方向的坐标值。

14、根据权利要求1所述的非药式水下冲击载荷作用下复合材料板损伤评估方法，其特征在于，所述冲击波修正公式为：

15、

16、式中，p(t)为非药式非接触水下爆炸冲击波载荷在任意点的值；pm为水下冲击波压力峰值；

17、衰减时间常数修正后为：

18、

19、式中，t0为初始冲击波沿x方向衰减的衰减时间常数，f1(mf)为飞片质量mf的函数，a为待定系数，mp为活塞质量，ρw为水的密度，cw为水中声速，d1为非药式非接触爆炸液面至靶板的距离。

20、进一步地，在s5中，通过abaqus/explicit软件进行有限元数值模拟靶板结构受到水下爆炸冲击波载荷的动态响应，具体为：

21、s51，以确定的材料参数、边界条件、尺寸参数等进行有限元建模，模拟非药式非接触水下爆炸冲击波冲击碳纤维增强复合材料复合多层防护靶板的过程；

22、s52，非药式非接触水下爆炸的激波管内的水域和复合材料结构后的空气域采用欧拉单元进行模拟；

23、s53，对欧拉域的边界条件设置为施加自由且无反射的边界条件，并且对欧拉域的四周不设置固定约束；碳纤维增强复合材料复合多层防护靶板边界条件简化为在螺栓圆孔处固支约束；

24、s54，在碳纤维增强复合材料复合多层防护靶板中心的水平位置建立结点集，输出结点位移历程曲线，同时，输出欧拉单元的压力历程曲线，获得激波管内水中的压力受到冲击波作用的强度变化；

25、s55，在实验研究过程中，利用均布于非药式非接触水下爆炸模拟装置上方的压力传感器能够获取高速飞片撞击活塞后在容器中产生的冲击波的压力时程曲线和压力峰值及冲击波修正公式，利用建立的数值模型进行相同速度的冲击实验，可以得到压力容器中所有位置点的压力时程曲线。

26、进一步地，还包括：依据s6中损伤评估得到的破坏模式，获得抗冲击性能数据用于优化s2中碳纤维增强复合材料复合多层防护靶板的碳纤维织布层数及点阵芯层构型，返回s3继续执行相应步骤。

27、有益效果：

28、1.本发明的评估方法中，提供了一种非药式非接触水下爆炸冲击波加载实验装置作用下的冲击波载荷的修正理论计算，弥补了实验方法靶板冲击载荷数据采集方面存在的不足。

29、2.提供了一种新型碳纤维增强复合材料复合多层防护靶板的结构有效地提高了舰艇结构的防护效果。

30、3.通过利用非药式非接触水下爆炸冲击波载荷加载装置对碳纤维增强复合材料复合多层防护靶板进行加载，对碳纤维增强复合材料复合多层防护靶板的径向最终变形挠度值和中心点变形时域曲线来研究分析碳纤维增强复合材料复合多层防护靶板整体冲击防护效果，即结合碳纤维增强复合材料复合多层防护靶板在水下冲击波载荷作用下的变形毁伤、动态响应等情况提供了新的评估方法。

技术特征：

1.一种非药式水下冲击载荷作用下复合材料板损伤评估方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的非药式水下冲击载荷作用下复合材料板损伤评估方法，其特征在于，在s1中，所述碳纤维织布堆叠层压过程中在每层纤维布之间刷上环氧树脂胶作为基质。

3.根据权利要求1所述的非药式水下冲击载荷作用下复合材料板损伤评估方法，其特征在于，在s2中，所述碳纤维增强复合材料复合多层防护靶板由前后两层碳纤维复合材料板和通过3d打印获得的尼龙点阵芯层构成。

4.根据权利要求3所述的非药式水下冲击载荷作用下复合材料板损伤评估方法，其特征在于，所述点阵芯层的单胞构型是极小曲面构型，其隐函数数学表达式为：

5.根据权利要求1所述的非药式水下冲击载荷作用下复合材料板损伤评估方法，其特征在于，所述冲击波修正公式为：

6.根据权利要求1所述的非药式水下冲击载荷作用下复合材料板损伤评估方法，其特征在于，在s5中，通过abaqus/explicit软件进行有限元数值模拟靶板结构受到水下爆炸冲击波载荷的动态响应，具体为：

7.根据权利要求1所述的非药式水下冲击载荷作用下复合材料板损伤评估方法，其特征在于，还包括：依据s6中损伤评估得到的破坏模式，获得抗冲击性能数据用于优化s2中碳纤维增强复合材料复合多层防护靶板的碳纤维织布层数及点阵芯层构型，返回s3继续执行相应步骤。

技术总结本发明提供了一种非药式水下冲击载荷作用下复合材料板损伤评估方法，包括：预设织布层数，堆叠层压制成碳纤维复合材料板；制备碳纤维增强复合材料复合多层防护靶板；采用非药式非接触水下爆炸冲击波载荷加载装置采集实验数据；利用非接触三维技术进行测量研究；通过冲击波修正公式对冲击波载荷进行修正计算，将得到理论计算值带入有限元软件作为冲击波输入值；进行有限元数值模拟靶板结构受到水下爆炸冲击波载荷的动态响应；综合运用实验数据、冲击波修正公式、数值模拟技术，对复合多层防护靶板的受力与变形进行分析，依据变形情况开展损伤行为评估。本发明提供的评估方法，克服传统材料防护结构可设计性低、非药式非接触水下爆炸冲击波加载技术的理论计算不充分的缺陷。技术研发人员：李营,董弋锋,李素云受保护的技术使用者：北京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18