基于红外热成像的编织复合材料低速冲击和冲击后压缩试验研究

刘鹏; 蔡应龙; 顾佳辉; 罗维; 张超

doi:10.11883/bzycj-2021-0369

基于红外热成像的编织复合材料低速冲击和冲击后压缩试验研究

doi: 10.11883/bzycj-2021-0369

刘鹏^1,,
蔡应龙¹,
顾佳辉¹,
罗维²,
张超^1, ,

1.
西北工业大学航空学院，陕西西安 710072
2.
成都飞机工业（集团）有限责任公司，四川成都 610073

基金项目: 国家自然科学基金（12172303）

详细信息

作者简介:
刘　鹏（1995－　），男，硕士，peng.liu@mail.nwpu.edu.cn

通讯作者:
张　超（1987－　），男，博士，教授，chaozhang@nwpu.edu.cn

中图分类号: O382; V258.3
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出版历程
- 收稿日期: 2021-09-02
- 修回日期: 2022-01-04
- 网络出版日期: 2022-04-20
- 刊出日期: 2022-06-24

Experimental research on low-velocity impact and compression after impact of braided composites based on infrared thermal imaging

1.
School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, Shaanxi, China
2.
Chengdu Aircraft Industrial (Group) Co., Ltd., Chengdu 610073, Sichuan, China

摘要

摘要: 针对二维三轴编织复合材料（two-dimensional triaxially braided composite, 2DTBC）在低速冲击和冲击后压缩（compression after impact, CAI）载荷下的损伤失效机理，开展了2DTBC试样的不同能量低速冲击试验以及相应的CAI试验，并采用红外热像仪监测在低速冲击和CAI试验过程中的温升现象。通过C扫描表征了不同能量低速冲击后试样的分层损伤情况，讨论了试样背面温度场分布特性及其随冲击能量的演化规律；对比分析了2DTBC冲击后剩余压缩强度与冲击能量的对应关系，基于数字图像相关（digital image correlation, DIC）技术监测了CAI试验中的全局应变场，结合热成像、变形场和光学图像数据，阐明了不同能量冲击后2DTBC的压缩失效特性，讨论了基于红外热成像技术表征编织复合材料损伤失效行为的有效性。试验结果显示：编织复合材料低速冲击和CAI试验中的温度场分布图与编织几何构型有明显关联度；低速冲击试验的温升幅值随冲击能量的增加而快速上升，CAI试验的温升现象随着冲击能量的增加而减弱；分层面积随冲击能量的增大而增大，冲击后剩余压缩强度随冲击能量的增大而降低。研究结果表明：红外热成像技术能够很好地捕捉试样破坏瞬间释放断裂能所产生的温升现象，温度场图像相较于全局应变场能更好地捕捉破坏的起始位置和失效特征。
- 编织复合材料 /
- 低速冲击 /
- 冲击后压缩 /
- 失效分析 /
- 红外热成像
Abstract: The damage and failure mechanism of two-dimensional triaxially braided composite (2DTBC) under low-velocity impact and compression after impact (CAI) was experimentally investigated through tests with various impact energies (5, 10, 20 and 30 J). The low-velocity impact specimens were prepared according to the ASTM D7136 standard and tested using the Instron drop tower 9250HV with a hemispherical punch, and CAI tests were carried out on an Aowei PLD-250 fatigue machine following the ASTM D7137 standard. An infrared thermal imaging camera was employed to monitor the temperature distribution of the specimens during the low-velocity impact and CAI tests. Delamination damage of impacted specimens was characterized by an ICS-Ⅱ ultrasonic C-scanner. The relationship between impact energy and residual compression strength of 2DTBC after impact load was compared and analyzed. The evolution of the temperature field and its sensitivity against impact energy were discussed based on the infrared image data. Regarding the CAI tests, the global strain field was measured using the digital image correlation (DIC). Combining the thermal and deformation fields, and the optical failure images, the compression failure behavior of 2DTBC after impact of different energies were systematically investigated, validating the feasibility of infrared thermal imaging technology on characterizing the damage and failure behavior of braided composites. The experimental results show that the temperature field contours in low-velocity impact and CAI tests of braided composites are significantly correlated with braided architecture. The magnitude of temperature rise during the low-velocity impact test increases rapidly with the increase of impact energy, while the magnitude of temperature rise during the CAI test decreases with the increase of impact energy. Moreover, the maximum temperature rise is about 56.2 ºC in the 30 J low-velocity impact test. The delamination area is found to increase with the increase of impact energy, and the residual compression strength after impact decreases with the increase of impact energy. The residual compression strengths ratios are 90.9%, 82.2%, 73.8% and 65.8% for specimens after 5, 10, 20 and 30 J impacts, respectively. Through this study, we demonstrate that infrared thermal imaging camera can clearly capture the temperature rise phenomenon of composite specimens, which is caused by the releasing of fracture energy at the failure instant. More notably, the temperature contour can better reflect the damage location and failure characteristics than the global strain field.
- braided composite /
- low-velocity impact /
- compression after impact /
- failure analysis /
- infrared thermal imaging

HTML全文

现代鱼雷可通过多种发射方式攻击敌对目标, 如飞机空投或舰载发射等, 但不管采用何种发射方式, 都要经过空中、入水、水下航行至命中目标的全弹道过程。入水是一个短暂、变化激烈而又复杂的力学过程, 在入水的整个过程中, 鱼雷将经历撞水、浸水、带空泡航行、全浸湿后转入受控运动等4个阶段。入水过程中雷体会激起周围流体介质的运动, 反过来, 流体介质对结构又施加各种反作用力。入水冲击力有2个分量相当重要:一个是轴向力或阻力, 会引起减加速度, 可能使雷头变形, 破坏鱼雷内部的仪表设备; 另一个是法向力或升力, 会形成力矩, 产生横向角速度, 影响弹道, 并可能使雷体皱折或断裂。因此研究空投鱼雷入水冲击力对鱼雷结构的总体设计以及水下弹道设计等方面具有重要的工程意义^[1]。

本文中拟基于鱼雷入水动力学模型、动态非线性有限原理论和耦合算法^[2], 计算计算鱼雷入水时受到的作用力, 建立空投鱼雷入水冲击有限元模型, 对不同工况进行数值模拟, 以期为预测鱼雷入水冲击载荷提供参考。

1. 鱼雷入水受力分析

作用在鱼雷上的力可以分成2类:鱼雷重力和流体反作用力, 流体反作用力中包括浮力和流体动力^[3]。重力和浮力的大小和方向都是明确的, 容易确定的。流体动力不仅取决于鱼雷的外形、流体的特性, 也取决于鱼雷入水运动状态参数(如速度、加速度、姿态角、姿态角速度)等。可以用适合于惯性参考系的牛顿运动定律来描述鱼雷斜入水时纵平面内的受力及运动。鱼雷入水时运动和几何参数如图 1所示。

图 1 鱼雷入水运动简图

Figure 1. Schematic of torpedo entry into water

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浮力及其力矩为:

$\begin{array}{c} F_{\mathrm{b}}=\rho g \int_{-L_{2}}^{L_{1}} A_{\mathrm{b}}(l) \mathrm{d} l \end{array}$

(1)

$\begin{array}{c} M_{\mathrm{b}}=F_{\mathrm{b}} \int_{L}^{L_{1}} \sin (\phi) L(l) \mathrm{d} l \end{array}$

(2)

式中:A_b为沾湿部分有效截面积。

轴向黏性阻力、法向黏性阻力及其对重心力矩为:

$\begin{aligned} F_{\mathrm{d}, \mathrm{a}} & =\frac{1}{2} \rho C_{\mathrm{d}, \mathrm{a}} A_{\mathrm{e}} v_{\mathrm{a}}\left|v_{\mathrm{a}}\right| \end{aligned}$

(3)

$\begin{aligned} F_{\mathrm{d}, \mathrm{n}} & =\rho C_{\mathrm{d}, \mathrm{n}} \int_{L}^{L_{1}} r v_{\mathrm{n}}\left|v_{\mathrm{n}}\right| \mathrm{d} l \end{aligned}$

(4)

$\begin{aligned} M_{\mathrm{d}, \mathrm{n}} & =\rho C_{\mathrm{d}, \mathrm{n}} \int_{l}^{L_{1}} r l v_{\mathrm{n}}\left|v_{\mathrm{n}}\right| \mathrm{d} l \end{aligned}$

(5)

式中:v_a、v_n分别为轴向、法向速度, 轴向黏性阻力系数C_{d, a}=0.3, 法向粘性阻力系数C_{d, n}=1.1, A_e为轴向有效面积, r为轴向截面半径。

轴向、法向附加力及其对重心的力矩为:

$\begin{array}{c} F_{\mathrm{m}, \mathrm{a}}=\frac{\mathrm{d} m_{\mathrm{a}}}{\mathrm{d} v} \frac{\mathrm{d} v}{\mathrm{~d} t}+m_{\mathrm{a}} A_{\mathrm{a}}\left(\frac{L}{L_{1}+L_{2}}\right) \end{array}$

(6)

$\begin{array}{c} F_{\mathrm{m}, \mathrm{n}}=\int_{-L_{2}}^{L_{1}}\left(v_{\mathrm{n}} \frac{\mathrm{d} m}{\mathrm{~d} t}+m \frac{\mathrm{d} v_{\mathrm{n}}}{\mathrm{d} t}\right) \mathrm{d} l \end{array}$

(7)

$\begin{array}{c} M_{\mathrm{m}, \mathrm{n}}=\int_{-L_{2}}^{L_{1}} l \mathrm{~d} F_{\mathrm{m}, \mathrm{n}} \end{array}$

(8)

式中:m_a为轴向附加质量, m为单位长度的横截面在浸深h处的附加质量, 其计算方法可由文献[4]确定。根据以上受力分析, 建立鱼雷入水过程中动力学方程:

$\left\{\begin{array}{l} M X^{\prime \prime}=F_{\mathrm{m}, \mathrm{n}} \cos \phi-F_{\mathrm{m}, \mathrm{a}} \sin \phi-F_{\mathrm{m}, \mathrm{a}} \sin \phi+F_{\mathrm{m}, \mathrm{n}} \cos \phi \\ M Z^{\prime \prime}=F_{\mathrm{m}, \mathrm{n}} \sin \phi+F_{\mathrm{m}, \mathrm{a}} \cos \phi+F_{\mathrm{m}, \mathrm{a}} \sin \phi+F_{\mathrm{m}, \mathrm{n}} \sin \phi-M g \\ I_{\phi}^{\prime \prime}=M_{\mathrm{b}}+M_{\mathrm{m}, \mathrm{n}}+M_{\mathrm{d}, \mathrm{n}} \end{array}\right.$

(9)

式中:M为鱼雷总质量, I为对重心的转动惯量。将上式转化成矩阵形式:

$\left(\begin{array}{ccc} M+m_{11} & m_{12} & m_{13} \\ m_{21} & M+m_{22} & m_{23} \\ m_{31} & m_{32} & M+m_{33} \end{array}\right)\left(\begin{array}{c} X^{\prime \prime} \\ Z^{\prime \prime} \\ \phi^{\prime \prime} \end{array}\right)=\left(\begin{array}{c} F_{x} \\ F_{z} \\ F_{\phi} \end{array}\right)$

(10)

式中:m_ij(i, j=1, 2, 3)对应于加速度的质量项。式(10)是一个二阶常微分方程组, 将其降阶转化为一阶方程组, 采用变步长Runge-Kutta法求解, 对于各积分项采用变步长辛普森法进行计算。取MK46鱼雷为计算目标, 入水角为45°, 入水速度为32m/s, 攻角为零, 通过使用Matlab进行数值计算, 计算结果如表 1所示。

表 1 鱼雷入水时力学参数

Table 1. Mechnical parameters for torpedo entry into water

t/ms	F_{m, a}/kN	F_{m, n}/kN	M_{m, n}/(kN·m)
0.34	28.5	19.7	121.6
1.00	10.1	6.3	38.9
2.00	2.1	1.7	10.5
3.00	3.6	2.3	14.2
4.00	2.1	2.0	12.3
5.00	1.8	1.2	7.4
6.00	1.6	1.1	6.8

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由表 1可以看出, 鱼雷在入水的瞬间就会受到很大的轴向以及法向冲击载荷, 从而也产生了很大的法向弯矩, 这都会对鱼雷的结果以及姿态产生很大的影响。但持续时间很短, 随着不断入水, 轴向力和法向力迅速衰减, 趋于某一常值。

2. 数值模型

以MK46鱼雷为算例, 依据所研究问题的侧重点, 对鱼雷和流体进行了必要的简化。由于主要研究对象为鱼雷入水冲击时的流体动力情况, 不考虑载荷下鱼雷壳体会不会发生塑性变形以及结构破坏, 故将鱼雷作为刚体建模, 且不考虑分段。对于鱼雷入水, 由于其入水速度高, 粘性仅仅表现在附着在耦合面边界层很薄的一部分, 对数值计算的结果影响很小, 在本文中不予考虑^[5-7]。

鱼雷结构采用刚体假设, 泊松比μ=0.3, 质量m=235kg, 空气和水选用可压缩理想流体本构材料关系, 水压力由多项式状态方程描述。

对于压缩状态:

$p=a_{1} \mu+a_{2} \mu^{2}+a_{3} \mu^{3}+\left(b_{0}+b_{1} \mu\right) \rho_{0} e$

(11)

对于拉伸状态:

$p=a_{1} \mu+\left(b_{0}+b_{1} \mu\right) \rho_{0} e$

(12)

空气的压力由Gamma状态方程来描述:

$p=(\gamma-1) \rho_{1} e$

(13)

水密度为ρ₀=1 000kg/m³, 体积模量K=2.2GPa, 质量内能e=83.95kJ/kg; 空气密度ρ₁=1.293kg/m³, 质量热容比γ=1.4, 质量内能e=212.65kJ/kg

雷体结构采用拉格朗日四节点四边形壳建模, 共有4 800个节点, 4 798个单元, 有限元模型如图 2所示。水和空气选用欧拉六面体实体单元, 考虑到入水问题的具体情况, 在近水面处网格较密, 远离水面采用等差网格, 逐渐稀疏。鱼雷的整个外表面为流固耦合面, 采用一般耦合算法。鱼雷头部距液面初始高度0.2m。鱼雷入水(45°入水角)模型如图 3所示。

图 2 鱼雷有限元网格模型

Figure 2. Finite element model of torpedo

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图 3 鱼雷入水有限元模型

Figure 3. Finite element model for torpedo entry into water

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3. 鱼雷入水冲击载荷分析

3.1 鱼雷入水载荷分析

选取初始入水速度为32m/s, 入水角度为45°, 初始步长为1μm, 总计算时间为0.06s。将结果文件导入MSC.Dytran计算后可以得到该工况下鱼雷入水的分析结果。如图 4所示为鱼雷入水过程中耦合面受到的作用力时间历程曲线。

图 4 鱼雷入水耦合面作用力时间历程曲线

Figure 4. Coupling force-time curve for torpedo entry into water

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由图 4中可以看出, 鱼雷在入水时, 会遭受极大的冲击载荷, 随着鱼雷不断入水, 冲击载荷迅速的衰减下去, 但还是会不断受到冲击力的作用, 3ms后冲击过程基本结束, 作用力趋于稳定。作用力峰值达到35.397kN, 时间约为0.32ms, 由于作用时间很短, 不会影响鱼雷入水的姿态以及运动。计算得到的不同时刻作用力大小也与相同工况下Matlab计算出的结果(表 1)比较接近, 从而从进一步验证了数值模型的可靠性。

图 5所示为入水1.8ms时鱼雷外壳以及水所受到的压力云图。根据鱼雷在入水过程中受到的压力变化情况可得出, 入水初始时接触面的压力最大, 峰值为25.8MPa, 向边缘逐渐减小。对于平头鱼雷入水情况, 其撞水瞬间是一种碰撞现象, 撞水初期可以假设其为一平板撞击可压缩水面。基于Von Karman一元碰撞理论, 刚性平板撞击压缩水面的撞击压力峰值可由下式估算^[8]:

图 5 入水时鱼雷及水的压力云图

Figure 5. Pressure contour for torpedo entry into water

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$p_{\max }=\rho c v_{\perp} \sin \varphi$

(14)

式中:ρ为水的密度, 入水角度φ=45°, 水的声速c=1 480m/s, 垂直入水速度v_⊥=22.6m/s。计算得最大理论压力峰值为33.45MPa, 较计算结果高。这主要是由于没有考虑到空气被压入水中的空气垫效应而减小了压力。对于一般雷头壳体, 选用的材料为硬铝合金, 其屈服应力为330MPa, 故壳体所受压力值不可能使壳体发生塑性变形或破坏。

3.2 入水速度对鱼雷入水的影响

为了进一步分析入水过程, 以入水角度为45°的工况下分别给鱼雷加以从10~40m/s范围内变化的轴向入水速度进行计算。根据数值模拟结果, 将不同速度下的鱼雷头部所受到的压力峰值进行曲线拟合, 如图 6所示。

图 6 不同速度下鱼雷头部所受到的压力峰值

Figure 6. The pressure peak of torpedo head at different water-entry velocities

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所得拟合二次曲线函数:

$F=223 x^{2}+3523 x+12480 \quad 10 \mathrm{~m} / \mathrm{s} \leqslant x \leqslant 40 \mathrm{~m} / \mathrm{s}$

(15)

将不同速度下的鱼雷入水弹道曲线进行比对分析, 如图 7所示, 可以得出, 当冲击力作用在鱼雷头部时, 由于不通过重心, 使得鱼雷产生俯仰角速度, 对弹道产生严重影响。随着鱼雷入水速度的增大, 弹道偏离现象逐渐减小, 说明入水速度越高, 越有利于消除法向力引起的弯矩对鱼雷带来的影响。

图 7 不同入水速度鱼雷弹道曲线图

Figure 7. Torpedo trajectory curves at different water-entry velocities

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3.3 入水角度对鱼雷入水的影响

取入水速度为40m/s, 改变入水角度, 得到不同角度下的冲击力峰值变化曲线, 如表 2所示。

表 2 不同角度入水时鱼雷所受最大冲击力

Table 2. The maximum impact force at different water-entry angles

ϕ/(°)	F_{m, a}/kN	F_{m, n}/kN
30	23.9	21.8
45	30.9	19.2
60	36.5	11.7
75	38.5	6.5
90	68.0	0

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由表 2可知, 入水轴向冲击力随着入水角度的增大而增大, 尤其在垂直入水时轴向力急剧增大, 这说明垂直入水是鱼雷入水最不安全的情况, 会对鱼雷的纵向结构强度提出了很高的要求, 应该尽量避免。

而法向力随着入水角度的增大而减小, 这说明当鱼雷以小角度入水时应该注意避免法向力太大而引起的忽扑现象。同时根据计算结果分析不同角度入水弹道轨迹, 发现随着入水角度的变小, 鱼雷运动轨迹偏离初始角度的情况变的更为严重, 这也同样说明法向作用力及其所引起的弯矩在小角度入水情况下大于大角度入水时的现象。

3.4 不同头型对雷体入水的影响

分别选取了截头锥形壳体, 尖头壳体以及半圆头壳体这3种头部壳体形状的结构, 以入水速度30m/s对鱼雷垂直入水工况进行计算, 其有限元模型如图 8所示。

图 8 不同头型鱼雷有限元模型

Figure 8. Finite element models for torpedo with different headtypes

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3种不同头型鱼雷垂直入水工况的入水耦合面作用力时间历程曲线如图 9所示。

图 9 不同头型入水耦合面作用力时程曲线

Figure 9. Coupling force-time curve for water-entry torpedoes with different head shapes

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由图 9可以看出, 鱼雷在开始入水时都会受到很大的冲击载荷, 但截头锥形的头部形状受到的压力峰值最大, 压力作用的时间也是最长的, 其次是圆头雷, 最小的是尖头雷。这说明鱼雷入水时, 如果减小头部与水的接触面积, 则可以有效地减小鱼雷所受到的冲击载荷。

4. 结论

分析了鱼雷入水时受到的流体动力, 应用MATLAB编程求解了鱼雷入水过程的流体动力参数, 并通过使用MSC.Dytran仿真模拟了空投鱼雷入水过程。通过建立鱼雷入水三维有限元模型, 对鱼雷入水过程雷体所遭受的冲击力及其在不同入水速度和角度下冲击压力峰值、不同头部形状冲击压力峰值特点、鱼雷入水弹道做了分析与讨论。得出如下结论:

(1) 空投鱼雷入水时会受到很高的冲击载荷, 存在明显的冲击载荷峰值, 对雷头部结构将造成极大的影响, 随着鱼雷不断进入水中, 冲击载荷逐渐趋于常值。因此, 在设计鱼雷壳体的时候有必要强化其前端面附近的强度设计或在头部加装缓冲头帽, 提高其耐冲击的性能, 以确保其入水时的安全性;

(2) 随着鱼雷入水速度的增加, 作用在鱼雷壳体上的冲击载荷也不断升高, 这对鱼雷雷体的强度提出了很高的要求, 所以应尽可能减小空投鱼雷在入水时的速度, 如在空投时雷身附有降落伞;

(3) 随着鱼雷入水角度的增加, 作用在鱼雷上的法向作用力不断减小, 但轴向力不断增大, 从而由于法向弯矩引起的忽扑现象逐渐消失。垂直入水时轴向作用力达到最高值, 这是鱼雷入水最危险的工况, 应该尽量避免;

(4) 对于垂直入水工况, 不同头型鱼雷的入水载荷各不相同, 减小鱼雷与水的接触面积会明显减小入水载荷峰值的大小。

图 1 2DTBC试样及其编织构型

Figure 1. 2DTBC specimen and its braided architecture

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图 2 低速冲击试验装置

Figure 2. Low-velocity impact test machine

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图 3 冲击后压缩试验装置

Figure 3. Compression-after-impact test machine

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图 4 4种载荷下试样的力学响应

Figure 4. Mechanical responses of specimens under four kinds of loads

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图 5 不同冲击能量下试样分层损伤分布

Figure 5. Delamination distribution of specimens under impact with different energies

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图 6 3种不同冲击能量下试样温度分布

Figure 6. Temperature distribution in specimens after impact with three energy levels

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图 7 低速冲击下试样的力学响应

Figure 7. Mechanical responses of specimens under low-velocity impact

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图 8 低速冲击下试样的温度响应

Figure 8. Temperature response of specimens under low-velocity impact

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图 9 在5 J能量冲击下2DTBC试样CAI试验的应力-应变曲线和其破坏前瞬间应变分布

Figure 9. Stress-strain curves of 2DTBC specimens under the impact with the energy of 5 J in CAI tests and strain distributions at the moment before destruction

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图 10 在10 J能量冲击下2DTBC试样CAI试验的应力-应变曲线和其破坏前瞬间应变分布

Figure 10. Stress-strain curves of 2DTBC specimens under the impact with the energy of 10 J in CAI tests and strain distributions at the moment before destruction

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图 11 在20 J能量冲击下2DTBC试样CAI试验的应力-应变曲线和其破坏前瞬间应变分布

Figure 11. Stress-strain curves of 2DTBC specimens under the impact with the energy of 20 J in CAI tests and strain distributions at the moment before destruction

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图 12 在30 J能量冲击下2DTBC试样CAI试验的应力-应变曲线和其破坏前瞬间应变分布

Figure 12. Stress-strain curves of 2DTBC specimens under the impact with the energy of 30 J in CAI tests and strain distributions at the moment before destruction

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图 13 CAI试验中试样温度场（上）和光学成像（下）

Figure 13. Temperature fields (up) and optical images (down) of specimens in CAI tests

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图 14 在30 J能量冲击下2DTBC试样不同时刻的温度分布

Figure 14. Temperature distribtuon at different times in 2DTBC specimens under the impact with the energy of 30 J

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图 15 CAI试验试样的力学响应

Figure 15. Mechanical responses of specimens in CAI tests

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图 16 CAI试验试样的温度响应

Figure 16. Temperature responses of specimens in CAI tests

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表 1 试样信息和冲击能量

Table 1. Sample information and impact energy

序号冲击能量/J 试件尺寸/(mm×mm×mm) 试件质量/g

1 5 150.14×100.20×4.64 104.4
2 10 149.62×98.10×4.48 101.7
3 20 149.60×100.00×4.60 105.3
4 30 149.66×98.32×4.56 102.3

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参考文献(25)

[1]	范玉青, 张丽华. 超大型复合材料机体部件应用技术的新进展: 飞机制造技术的新跨越 [J]. 航空学报, 2009, 30(3): 534–543. DOI: 10.3321/j.issn:1000-6893.2009.03.022. FAN Y Q, ZHANG L H. New development of extra large composite aircraft components application technology-advance of aircraft manufacture technology [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2009, 30(3): 534–543. DOI: 10.3321/j.issn:1000-6893.2009.03.022.
[2]	ASTM Committee D30 on Composite Materials. Standard test method for measuring the damage resistance of a fiber-reinforced polymer matrix composite to a drop-weight impact event: ASTM D7136/D7136M—15 [S]. West Conshohocken, PA, United States: ASTM International, 2015.
[3]	ASTM Committee D30 on Composite Materials. Standard test method for compressive residual strength properties of damaged polymer matrix composite plates: ASTM D7137/D7137M—17 [S]. West Conshohocken, PA, United States: ASTM International, 2017.
[4]	Technical Committee PRI/42. Carbon-fibre-reinforced plastics: determination of compression-after-impact properties at a specified impact-energy level: BS ISO 18352: 2009 [S]. Switzerland: International Organization for Standardization, 2009.
[5]	中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会. 纤维增强塑料层合板冲击后压缩性能试验方法: GB/T 21239—2007 [S]. 北京: 质检出版社, 2007.
[6]	TUO H L, LU Z X, MA X P, et al. Damage and failure mechanism of thin composite laminates under low-velocity impact and compression-after-impact loading conditions [J]. Composites Part B: Engineering, 2019, 163: 642–654. DOI: 10.1016/j.compositesb.2019.01.006.
[7]	JOHNSTON J P, PEREIRA J M, RUGGERI C R, et al. High-speed infrared thermal imaging during ballistic impact of triaxially braided composites [J]. Journal of Composite Materials, 2018, 52(25): 3549–3562. DOI: 10.1177/0021998318765290.
[8]	ZHANG W, GU B H, SUN B Z. Thermal-mechanical coupling modeling of 3D braided composite under impact compression loading and high temperature field [J]. Composites Science and Technology, 2017, 140: 73–88. DOI: 10.1016/j.compscitech.2016.12.019.
[9]	PAN Z X, WU Z Y, XIONG J. High-speed infrared imaging and mesostructural analysis of localized temperature rise in damage and failure behavior of 3-D braided carbon/epoxy composite subjected to high strain-rate compression [J]. Polymer Testing, 2019, 80: 106151. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2019.106151.
[10]	SORINI C, CHATTOPADHYAY A, GOLDBERG R K. Micromechanical modeling of the effects of adiabatic heating on the high strain rate deformation of polymer matrix composites [J]. Composite Structures, 2019, 215: 377–384. DOI: 10.1016/j.compstruct.2019.02.016.
[11]	LI Z Y, GHOSH S. Micromechanics modeling and validation of thermal-mechanical damage in DER353 epoxy/borosilicate glass composite subject to high strain rate deformation [J]. International Journal of Impact Engineering, 2020, 136: 103414. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2019.103414.
[12]	刘永贵, 唐志平, 崔世堂. 冲击载荷下瞬态温度的实时测量方法 [J]. 爆炸与冲击, 2014, 34(4): 471–475. DOI: 10.11883/1001-1455(2014)04-0471-05. LIU Y G, TANG Z P, CUI S T. Real-time measuring methods for transient temperature under shock loading [J]. Explosion and Shock Waves, 2014, 34(4): 471–475. DOI: 10.11883/1001-1455(2014)04-0471-05.
[13]	刘永贵, 唐志平, 崔世堂. TiNi合金冲击相变过程中温度变化规律的实验研究 [J]. 爆炸与冲击, 2014, 34(6): 679–684. DOI: 10.11883/1001-1455(2014)06-0679-06. LIU Y G, TANG Z P, CUI S T. Experimental study on temperature evolution of TiNi alloy during shock-induced phase transformation [J]. Explosion and Shock Waves, 2014, 34(6): 679–684. DOI: 10.11883/1001-1455(2014)06-0679-06.
[14]	李涛, 傅华, 李克武, 等. 单轴压缩下2种PBX炸药的动态变形损伤及其温升效应 [J]. 爆炸与冲击, 2017, 37(1): 120–125. DOI: 10.11883/1001-1455(2017)01-0120-06. LI T, FU H, LI K W, et al. Deformation with damage and temperature-rise of two types of plastic-bonded explosives under uniaxial compression [J]. Explosion and Shock Waves, 2017, 37(1): 120–125. DOI: 10.11883/1001-1455(2017)01-0120-06.
[15]	李茜. 冲击载荷下复合材料的损伤模型适用性研究 [D]. 西安: 西北工业大学, 2018. LI X. Comparison of different damage models for laminated composites under impact loading [D]. Xi’an, Shaanxi, China: Northwestern Polytechnical University, 2018.
[16]	朱炜垚, 许希武. 含低速冲击损伤复合材料层合板剩余压缩强度及疲劳性能试验研究 [J]. 复合材料学报, 2012, 29(5): 171–178. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.2012.05.025. ZHU W Y, XU X W. Experiment research on residual compressive strength and fatigue performance of composite laminates with low velocity impact damage [J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2012, 29(5): 171–178. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.2012.05.025.
[17]	严实, 郭留雨, 赵金阳, 等. 三维五向编织复合材料低速冲击及冲击后压缩性能实验研究 [J]. 材料工程, 2017, 45(12): 65–70. DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000861. YAN S, GUO L Y, ZHAO J Y, et al. Experimental investigation on low-velocity impact and compression after impact properties of three-dimensional five-directional braided composites [J]. Journal of Materials Engineering, 2017, 45(12): 65–70. DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000861.
[18]	刘丽敏, 孙颖, 李涛涛, 等. 芳纶/炭混编三维编织复合材料冲击后压缩性能实验研究 [J]. 固体火箭技术, 2016, 39(6): 803–808. DOI: 10.7673/j.issn.1006-2793.2016.06.012. LIU L M, SUN Y, LI T T, et al. Experimental investigation on the compression properties of Kevlar/carbon hybrid 3D braided composites after impact [J]. Journal of Solid Rocket Technology, 2016, 39(6): 803–808. DOI: 10.7673/j.issn.1006-2793.2016.06.012.
[19]	MARSH G. Aero engines lose weight thanks to composites [J]. Reinforced Plastics, 2012, 56(6): 32–35. DOI: 10.1016/S0034-3617(12)70146-7.
[20]	MCGREGOR C, VAZIRI R, XIAO X R. Finite element modelling of the progressive crushing of braided composite tubes under axial impact [J]. International Journal of Impact Engineering, 2010, 37(6): 662–672. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2009.09.005.
[21]	ROBERTS G D, PEREIRA J M, REVILOCK D M, et al. Ballistic impact of braided composites with a soft projectile [J]. Journal of Aerospace Engineering, 2005, 18(1): 3–7. DOI: 10.1061/(ASCE)0893-1321(2005)18:1(3).
[22]	PEREIRA J M, ROBERTS G D, RUGGERI C R, et al. Experimental techniques for evaluating the effects of aging on impact and high strain rate properties of triaxial braided composite materials: NASA/TM-2010-216763 [R]. Austin: NASA, 2010.
[23]	LIU L L, XUAN H J, CHEN G T, et al. Ballistic impact testing and analysis of triaxial braided composite fan case material [J]. Advanced Materials Research, 2012, 535/356/537: 121–132. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.535-537.121.
[24]	CHENG J Y. Material modeling of strain rate dependent polymer and 2D triaxially braided composites [D]. Akron, Ohio, USA: University of Akron, 2006.
[25]	中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 三维编织物及其树脂基复合材料压缩性能试验方法: GB/T 33614—2017 [S]. 北京: 质检出版社, 2017.

施引文献

期刊类型引用(17)

1.	管祥善，孙鹏楠，李江昊，孙龙泉. 基于光滑粒子流体动力学的波浪中航行体入水数值模拟. 空气动力学学报. 2024(02): 85-95 . 百度学术
2.	齐辉，郭晶，褚福庆，吴昊，杨祥龙，赵海博，付豪，王鹏. 跨介质航行器入水流固耦合特性研究综述. 上海航天(中英文). 2024(03): 74-86 . 百度学术
3.	张彤运，王聪，许海雨，夏维学，马潇健，赵静. 大尺度跨介质航行器高速倾斜入水冲击载荷特性研究. 水下无人系统学报. 2024(03): 426-433 . 百度学术
4.	贺征，高紫晴，顾璇，高子舒. 鱼雷垂直入水瞬间结构响应的数值模拟. 爆炸与冲击. 2023(07): 146-160 . 本站查看
5.	范旭东，漆超，王旭，吕续舰. 基于ALE方法的高速弹体入水冲击特性研究. 江苏科技大学学报(自然科学版). 2022(02): 7-14 . 百度学术
6.	魏海鹏，史崇镔，孙铁志，鲍文春，张桂勇. 基于ALE方法的航行体高速入水缓冲降载性能数值研究. 爆炸与冲击. 2021(10): 115-126 . 本站查看
7.	孙龙泉，王都亮，李志鹏，刘登科. 基于CEL方法的航行体高速入水泡沫铝缓冲装置降载性能分析. 振动与冲击. 2021(20): 80-88 . 百度学术
8.	李鸿，李光磊，刘志远，郑可心，高晓初，李涛. 基于流固耦合的降载空化器高速入水数值研究. 振动与冲击. 2021(23): 254-259 . 百度学术
9.	孙玉松，周穗华，张晓兵. 非周期性入水冲击问题研究进展. 舰船科学技术. 2020(01): 6-10 . 百度学术
10.	王升，郭君，赵琪，卞敏华，田树红. 基于CEL算法全雷入水冲击建模与仿真. 水下无人系统学报. 2020(01): 75-80 . 百度学术
11.	魏洪亮，赵静，徐志程，俞启东，李明. 基于流固耦合的航行体高速入水规律研究. 导弹与航天运载技术. 2020(02): 33-37 . 百度学术
12.	马子恒，刘光帅，高攀，陈晓文. 不同介质中雷靶碰撞动力响应分析. 机械设计与制造. 2020(04): 219-222 . 百度学术
13.	张代国，潘菲菲，张晓乐. 自旋前伸空化回转体高速斜入水稳定性仿真研究. 数字海洋与水下攻防. 2020(01): 40-45 . 百度学术
14.	张晓乐，彭松江. 碟旋体小角度高速入水稳定性缩比相似条件分析. 兵工学报. 2020(S1): 59-63 . 百度学术
15.	黄超，翁翕，刘谋斌. 超疏水小球低速入水空泡研究. 力学学报. 2019(01): 36-45 . 百度学术
16.	黄志刚，孙铁志，杨碧野，张桂勇，宗智. 平头锥型回转体高速入水结构强度数值分析. 爆炸与冲击. 2019(04): 121-128 . 本站查看
17.	孙玉松，周穗华，张晓兵，向亚丽. 基于多介质ALE方法的大型弹体入水载荷特性研究. 海军工程大学学报. 2019(06): 101-106 . 百度学术

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1. 鱼雷入水受力分析
2. 数值模型
3. 鱼雷入水冲击载荷分析
3.1 鱼雷入水载荷分析
3.2 入水速度对鱼雷入水的影响
3.3 入水角度对鱼雷入水的影响
3.4 不同头型对雷体入水的影响
4. 结论

序号	冲击能量/J	试件尺寸/(mm×mm×mm)	试件质量/g
1	5	150.14×100.20×4.64	104.4
2	10	149.62×98.10×4.48	101.7
3	20	149.60×100.00×4.60	105.3
4	30	149.66×98.32×4.56	102.3

基于红外热成像的编织复合材料低速冲击和冲击后压缩试验研究

doi: 10.11883/bzycj-2021-0369

作者简介: 刘 鹏（1995－ ），男，硕士，peng.liu@mail.nwpu.edu.cn

通讯作者: 张 超（1987－ ），男，博士，教授，chaozhang@nwpu.edu.cn

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