基于动态拉伸试验的STF-Kevlar织物细观有限元分析方法与流程

基于动态拉伸试验的stf-kevlar织物细观有限元分析方法
技术领域
1.本发明属于航空发动机材料领域，具体涉及一种stf-kevlar织物细观有限元分析方法。


背景技术：

2.航空发动机在运行的过程中，为了保证安全和减少灾难发生，航空发动机机匣必须具有包容住发动机工作过程中断裂飞脱叶片的能力。同时，推重比作为航空发动机的重要性能参数，现代航空发动机的设计致力于寻找轻质材料减轻航空发动机的总体重力从而提高其推重比。
3.随着复合材料的发展，芳纶纤维编织织物由于优异的力学性能、抗冲击性能和断裂伸长率进入了人们的视线，其中的高强度凯夫拉(kevlar)纤维机织织物被广泛应用于能量吸收领域，针对其高速冲击特性、力学行为与数值分析方法已经开展了大量研究。高强度kevlar织物同样被用于商用航空发动机的包容机匣上，在薄壁金属机匣外缠绕kevlar纤维织物，可以显著减轻机匣重量且提升包容能力。近年来，剪切增稠液体(shear thickening fluid,stf)被发现可以有效增强kevlar织物的防弹及防刺性能，减少了织物层数，使得原有的kevlar防弹衣更加轻薄，且弹性与柔韧性更好，在用于人体防护装甲取得了良好的应用效果。由于航空领域对结构的减重要求，势必要发展更薄、体积更小的包容防护系统，因此将基于stf增强的kevlar织物用于航空发动机风扇机匣包容系统具有广阔的应用前景。
4.kevlar织物作为新型复合材料，具有复杂的结构，由相互正交的经纱和纬纱编织而成，每根纱线又是由微米级别直径的数百根纤维丝组成。当织物受到外物冲击时，编织结构的特殊性使得纱线之间存在许多相互作用，包括卷曲纱线伸直、抽出、滑动、交错、自由转动和纱线失效等行为。结构上的复杂性、变形过程的多样性以及失效模式的不确定性使得建立纤维织物真实几何模型和合理本构模型难度大大提高，对建立描述其在高速冲击下的动力学响应的数值仿真方法更是一个巨大挑战，同时，将有限元仿真应用到stf增强织物中，与纯织物相比本构参数有所增加，又增加了仿真的困难。典型的基于纱线结构的细观有限元模型的优点是考虑了纱线与纱线之间的摩擦挤压效应，细观有限元方法已经被广泛应用到现有的研究之中并取得了不错的效果。细观有限元模型需要通过纱线拔出试验测得纱线之间的摩擦力，纱间摩擦力被广泛认为是stf增强织物抗冲击性能的主导原因，另一方面，虽然基于细观纱线建模方法的数值仿真研究众多，但大多数研究都是使用准静态力学性能试验获得的杨氏模量和极限强度来代替纱线在受到动态拉伸时所表现出来的动态杨氏模量和极限强度作为有限元分析的输入参数，所得到的仿真结果与真实试验结果相差较大。
5.故，需要一种新的技术方案以解决上述技术问题。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种基于动态拉伸试验的stf-kevlar织物细观有限元分析方法，目
的是获得更加接近真实织物弹道试验结果的仿真数据结果。
7.为达到上述目的，本发明提供可采用以下技术方案：
8.一种基于动态拉伸试验的stf-kevlar织物细观有限元分析方法，包括以下步骤：
9.(1)通过纱线拔出试验获得单根纱线在准静态拔出时纱线端部受到的力和位移的曲线；取第一个峰值点的拉力为f
max
；并通过f
max
计算出纱线之间的摩擦系数；
10.(2)对单根纱线进行动态拉伸试验，以获得单根纱线在动态拉伸时受到的应力-应变曲线；在该应力-应变曲线种取上升段斜率作为动态杨氏模量，取最高点的应力作为纱线动态极限强度；
11.(3)建立细观有限元数值模型，将纱间摩擦系数、动态杨氏模量和动态极限强度输入本构模型参数中，设置好其余边界条件后，进行弹道冲击条件下的细观有限元数值仿真计算。
12.有益效果：现有的研究中，织物细观有限元仿真中使用准静态试验获得的即杨氏模量和极限强度作为仿真模型的输入参数，而纤维在高速冲击中受到动态拉伸时其表现出来的杨氏模量和极限强度与准静态下有很大差异，本发明解决了上述存在的问题，基于单纱的霍普金森拉杆试验获得了单纱在动态拉伸作用下的杨氏模量和极限强度，是的数值仿真的结果与试验结果更加吻合。
附图说明
13.图1是本发明基于动态拉伸试验的stf-kevlar织物细观有限元分析方法的流程图；
14.图2是本发明中采用的纱线拔出试验方法；
15.图3是纱线拔出典型结果曲线；
16.图4是本发明中采用的霍普金森拉杆试验装置；
17.图5是霍普金森拉杆试验典型结果曲线；
18.图6是动态拉伸结果处理后的应力-应变曲线；
19.图7是本发明的分析得到的stf-kevlar细观有限元模型；
20.图8是典型仿真与试验结果对比图。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施方案，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本说明而不用于限制本发明的范围，在阅读本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本发明所附权利要求所限定的范围。
22.结合图1所示，本发明提供的基于动态拉伸试验的stf-kevlar织物细观有限元分析方法步骤如下：
23.(1)通过纱线拔出试验获得单根纱线在准静态拔出时纱线端部受到的力和位移的曲线，拉伸机向上移动的距离即为位移，拉伸机内部有力传感器，可以测量纱线端部所受到的拉拔力，试验方法如图2所示，试验结果如图3所示，取第一个峰值点的拉力为f
max
，利用以下公式计算出纱线之间的摩擦系数，即式中的friction。
24.f
max
＝c
×
count4×
diameter2×
modulus
×
waviness
×
friction
ꢀꢀꢀ
(1)
25.其中，c是基于kevlar织物的摩擦系数的常数值—0.573；count为英寸纱线的织物数量：17/in.；diameter为单根纱线中包含的单根纤维丝的直径：1.2
×
10-5
m；modulus为纱线的轴向(与纱线拔出方向一致的方向)弹性模量，单位为：pa；waviness为纱线的厚度：7
×
10-5
m；friction为纱线(经纱纬纱)之间的摩擦系数；
26.(2)通过霍普金森拉杆(shtb)试验对单根纱线进行动态拉伸试验，试验装置如图4所示。霍普金森拉杆包括入射杆、透射杆和吸收杆，采用压缩空气来发射套筒式子弹，子弹撞击到入射杆并产生应力波脉冲，称为入射波，产生的入射波传播到与试样接触的端面时，一部分入射波反射被称为反射波，另一部分入射波透过试样传到透射杆，被称为透射波。在入射杆和透射杆上分别粘贴电阻式应变片和半导体应变片，用以捕捉变形电压信号，该信号经示波器采集、超动态应变仪放大后导入数据处理系统进行计算，可以将电压信号转换为相应的应变，获得入射波、反射波和透射波的时间历程曲线，典型的波时间历程曲线如图5所示，根据相关公式(2)～(3)对波时间曲线进行计算处理，最终获得单根纱线在动态拉伸时受到的应力-应变曲线，如图6所示。取上升段斜率作为动态杨氏模量，取最高点的应力作为纱线动态极限强度。
[0027][0028][0029]
式中，式中，σ为单根纱线在拉伸过程中的应力；ε为单根纱线在拉伸过程中的应变；εr为反射波应变信号；ε
t
为透射波应变信号，单根纱线横截面积为a0，单根纱线原始长度为l0；c0为波导杆的波速，e为波导杆杨氏模量，a为波导杆横截面积。
[0030]
(3)建立细观有限元数值模型，如图7所示，将纱间摩擦系数、动态杨氏模量和动态极限强度输入本构模型参数中，设置好其余边界条件，便可以进行弹道冲击条件下的细观有限元数值仿真计算。其余边界条件包括弹体入射的初始速度、织物边界约束方式。弹体冲击会使织物发生变形，将织物变形效果，以及弹体穿透织物后的剩余速度与真实试验中的结果进行对比，即可验证数值仿真方法的有效性。典型弹体穿透织物的数值仿真结果如图8所示，如图8中的对比可知，本发明提供的分析方法所得到的数值仿真结果与真实试验的结果较相似，能够模拟真实的试验结果。
[0031]
显然，上述具体实施案例仅仅是为了说明本方法应用所作的举例，而非对实施方式的限定，对于该领域的一般技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动，用以研究其他相关问题。因此，本发明的保护范围都应以权利要求的保护范围。