纺织复合材料低速冲击下应力波传递及低速冲击仪改进研究

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交通事故、高空坠物伤人、工程实施过程中机械撞击事故的频发,致使人们对诸如此类低速冲击的防护需求越来越迫切,要求越来越高。从现有的文献看,目前大多数学者的实验主要着重于低速冲击作用过程中,复合材料自身对冲击能量的吸收与材料损伤、损坏机理,以及防范或减缓材料损伤、损坏的方法等研究,以及纺织复合材料在被冲击或者击穿的情况下,对能量吸收、挠度变化等定性研究。而针对纺织复合材料在受低速冲击下能量的传递情况和防护人体免受低速冲击伤害未见深入的研究,特别是冲击力对防护材料背面人体的实际影响程度未见可行的测试与评判方法。
　　冲击载荷作用下防护材料的能量吸收、传递等情况对研究防护人体免受低速冲击伤害相当重要。本文从低速冲击下纺织复合材料能量的吸收与传递等方面出发,搭建了由冲击载荷系统、信号放大器、数据采集系统等三大部分构成的低速冲击应力波测试平台；选用有机玻璃板、树脂分别与碳纤维、玄武岩、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的单向布或机织物复合构成不同的纺织复合材料试样,通过冲击实验检测、分析试样不同部位传感器获得的冲击应力波峰值、峰值时间间隔与冲击应力波传递率；应用ANSYS软件对低速冲击现象进行有限元数值模拟,探讨冲击应力波在不同的纺织复合材料内部的传播规律；最后,针对早期低速冲击测试平台的缺陷,参与了新型低速冲击测试仪的设计与研制,开展了对冲击弹头定位夹持机构、冲击载荷平台、测速机构、安全防护系统的部分设计、改进、装配工作,重点主持了测速机构的选型、设计与调试。以上研究将为纺织复合材料在人体防护、精密仪器防护等方面的应用提供一定的理论支撑,对开发防护低速冲击的实用性产品具有现实的意义。
　　本文研究内容与取得的成果主要涉及以下四个方面：
　　(1)在自主搭建的简易低速冲击应力波测试平台上,对由碳纤维、玄武岩纤维、UHMWPE三种不同性能的增强纤维粘接有机玻璃板复合而成的纺织复合材料进行冲击实验,在100mm高度自由落体条件下,测试分析冲击能量与传递时间、传递速度等方面的关系,以此来分析应力波的平面传播。试验发现低速冲击下纤维增强复合材料中应力波的幅值随着远离冲击点呈衰减的趋势；最接近冲击点处,碳纤维机织物增强复合材料的初始应力波传递率最大；而在远离冲击点处,UHMWPE机织物的应力波传递率最大,具有较好的应力波横向传播性能；但UHMWPE单向布的应力波传递率最小,其对冲击能量吸收最多。且三类高性能纤维中,UHMWPE纤维增强复合材料应力波传递速度最快。综合之,抗低速冲击材料选择UHMWPE单向布较为适宜。
　　(2)基于ANSYS/LS-DYNA软件对模拟参数试样进行数值模拟,发现在试样受弹头冲击的中心位置,应力从冲击点向周围呈辐射状传递,应力值由大到小逐渐变化；对此试验材料而言,当材料中心位置受到冲击弹头冲击时,首先会在材料的边缘处引发应变并逐渐增大；通过数值模拟绘制了冲击头的速度和加速度曲线,并结合实际冲击测试试验对速度和加速度进行了分析。
　　(3)以实现以上试验的拓展研究所必须的实验为目标,探讨对原有低速冲击测试仪的改进设计。本人主持了测速机构的选型与设计,参与了门型机架、冲击弹头定位夹持机构、冲击载荷平台、安全防护系统的设计、改进、装配和调试。提出了门型机架钢丝网面防护改进方案、冲击弹头定位夹持机构的慢速延时夹持方案、冲击载荷平台的可控升降改进方案,通过多方努力,最终成功实施,解决了相应问题。
　　(4)通过对多种测速方案的比较、筛选,最终选取了光纤传感器反射法测速方案,实现了低速冲击测试仪准确测速。测速机构可检测冲击头冲击试样前的瞬间速度和反弹速度,以此可表征冲击总能量和反弹能量。所设计的测速机构的测试误差可控制在2%范围之内。

著录项

作者
刘书华;
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作者单位

上海工程技术大学;

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授予单位上海工程技术大学;
学科服装设计与工程
授予学位硕士
导师姓名林兰天;
年度 2013
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类矿山设计与建设;
关键词
低速冲击; 应力波; 平面传递; ANSYS/LS-DYNA; 数值模拟;

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