STF-Kevlar织物动态力学行为与数值仿真方法研究

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1、中图分类号：V259论文编号：102870218-S064学科分类号：082502硕士学位论文STF-Kevlar织物动态力学行为与数值仿真方法研究研究生姓名刘晓学科、专业航空宇航推进理论与工程研究方向结构强度与完整性指导教师陈伟教授南京航空航天大学研究生院能源与动力学院二О一七年十二月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofEnergyandPowerEngineeringResearchonDynamicMechanicalBehaviorandNumeri

2、calSimulationMethodofSTF-KevlarFabricsAThesisinAerospacePropulsionTheoryandEngineeringbyLiuXiaoAdvisedbyProfessor.ChenWeiSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringDecember,2017承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经

3、发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）南京航空航天大学硕士学位论文摘要高强度Kevlar纤维机织织物被广泛应用于航空发动机软壁机匣包容上，剪切增稠液经研究发现可以有效提升Kevlar织物的能量吸收能力，因此将STF增强Kevlar织物应用于机匣包容上是对其包容能力及减重性能的提升，具有广阔的应用前景。包容过程中涉及到大变形的冲击过程，而有

4、限元分析冲击过程的关键在于准确的材料本构模型。为了获取适用于高应变率下纯Kevlar和STF-Kevlar织物的本构模型参数，本文进行了如下工作：（1）设计针对单束纤维束的相应加强片与夹具，在MTS材料试验机与霍普金森拉杆上开展室温（20℃）力学性能试验，得到单束纯Kevlar纤维与不同浓度STF强化Kevlar的准静态与动态拉伸力学性能，对比分析了准静态与动态力学性能的区别及不同STF溶液浓度对弹性模量、应力极限与拉伸强度的影响，为STF增强Kevlar织物的动态响应分析提供参考。（2）对纯Kevlar织物和STF-Kevlar织物开展了两种拔出速率的纤维拔出

5、试验，获得了纱间摩擦系数，发现STF-Kevlar织物的摩擦系数明显高于纯Kevlar织物，随着拔出速率的增大，纯Kevlar的摩擦系数下降，而STF-Kevlar的摩擦系数增大。（3）基于数值显微镜获得纱线的微观形貌建立Kevlar织物的细观几何模型，借助UG建模软件、HyperMesh分网软件及ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件，在纱线的结构层次上建立有限元模型，采用正交各向异性材料模型关键字定义纱线本构关系，结合最大拉应力失效理论描述纱线失效，通过模拟单根伸直纱线的拉伸过程，验证了模型材料赋予的正确性，建立STF-Kevlar织物高速冲击数值分析方法

6、。（4）在空气炮试验系统上使用模拟叶片弹体对纯Kevlar织物开展高速冲击验证试验，结果表明，纯Kevlar仿真与试验的冲击过程与能量吸收吻合程度较好。随后研究了纱间摩擦系数和失效应力对STF-Kevlar织物能量吸收的影响机制，发现剪切增稠液对Kevlar织物能量吸收方面有明显的增强作用；失效应力显著影响了织物吸收能力，失效应力越大，能量吸收越多；而摩擦系数通过影响参与纱线的数量来间接影响织物吸收能量能力，摩擦系数越高，吸收能量越少。本文的研究为STF-Kevlar织物在航空发动机软壁包容机匣上的应用建立了理论基础，提供了分析手段。关键词：STF-Kevlar

7、，软壁包容，动态拉伸，摩擦系数，细观仿真，能量吸收ISTF-Kevlar织物动态力学行为与数值仿真方法研究ABSTRACTHigh-strengthKevlarfiberwovenfabricsarewidelyusedintheaero-enginesoft-wallmachinecasing.TheshearthickeningfluidwasfoundtobeeffectiveinenhancingtheenergyabsorptioncapacityofKevlarfabrics.Therefore,theapplicationofSTFreinforc

8、edKevlarfabr