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1. Effects of textile structure and projectile geometry on ballistic performance of  UHMWPE  textiles

织物结构和弹体形状对超高分子量聚乙烯织物弹道性能的影响

翻译：党浩源

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）以其高强度、高模量和低密度的优点，被广泛应用于防弹衣和头盔等防护装备中。为了充分发挥该材料的优势，本文采用有限元模型系统地研究了织物结构和弹体形状对材料抗冲击性能的影响。结果表明:(1)和细观有限元模型相比，混杂有限元模型能够兼顾宏观和细观有限元模型的优点，从而快速准确的预测材料的冲击失效行为。(2)在球形弹体冲击下，二维三轴编织织物的临界穿透速度阈值最高，二维编织织物次之，三维正交机织织物的临界穿透速度阈值最低。(3)在相同速度下，半球形弹体因为头部形状更加光滑，因而穿透能力最强。平头形弹体因为冲击面积最大，因而穿透能力最弱。(4)在尖锐形弹体冲击下，冲击位置从纱线间距处改为纱线中心处，可以有效提升织物的抗冲击性能。

图1.（a）细观有限元模型示意图；（b）混杂有限元模型示意图；（c）在相同速度下，不同形状弹体在穿透不同织物后的剩余速度

Xie Y, Zhang H, Zhu W, Huang G. Effects of textile structure and projectile geometry on ballistic performance of UHMWPE textiles. Compos Struct 2022; 279: 114785.

2. Influence of environment conditioning on the interlaminar fracture toughness of a graphite/epoxy unidirectional material

环境条件对石墨/环氧树脂单向材料层间断裂韧性的影响

翻译：曹俊超

低速冲击造成的分层损伤会显著降低复合材料结构件的强度，因此适航法规要求飞机制造商应评估飞行器结构件的层间断裂韧性是否满足飞行可靠性，且在多种服役环境中也应满足适航要求，因此评估复合材料在各种环境中的抗分层能力是十分重要的。该文评估了一种在多种航空平台上应用的石墨/环氧树脂复合材料的抗分层能力，在不同的温度和湿度环境下，开展了I型、II型和混合型层间断裂测试。试验结果表明，随着温度的升高，由于树脂基体更高的塑性和韧性，I型断裂韧性增加；由于纤维/树脂界面的强度降低，导致II型断裂韧性随着温度升高而降低；另外，在II型测试中，试样的刚度随着温度的升高而小幅增加，通过摩擦测试结合数值研究发现在剪切载荷作用下，高温环境下的摩擦系数更高。

图2.(a) 不同环境下DCB试样的R-曲线；(b)不同混杂比及不同环境下试样的总断裂韧性；(c)摩擦测试中的摩擦测量设备。

Boni L, Fanteria D, Lazzeri L, Panettieri E, Mariani U, Rigamonti M. Influence of environment conditioning on the interlaminar fracture toughness of a graphite/epoxy unidirectional material. Compos Part B Eng 2018; 153: 97-107.

3. Modelling of the compressive behavior of 3D braided tubular composites by a novel unit cell

基于新型单胞的三维编织管状复合材料的压缩行为建模方法

翻译：刘鹏

编织复合材料细观有限元模拟方法的高计算量使其难以应用于较大的结构件。本文提出一种简化的细观有限元模型，并开发了适用于单胞模型的周期性边界条件，通过与全尺寸模型在应力水平和纵向模量方面进行一致性验证，表明单胞模型可以准确预测管状编织复合材料的力学响应（图3（a））。将仿真与实验结果进行比较，两者的应力-应变曲线吻合良好（图3（b））；同时发现具有不同编织角度的结构表现出不同的破坏行为：具有高编织角的模型表现出延展性断裂特征，而具有低编织角的模型表现出脆性断裂特征。此外单胞模型能有效预测压缩载荷下试样的强度和破坏模式（图3（c））；纵向弹性模量随半径的增加呈略微增加趋势（图3（d））。

图3.（a）单胞和圆管模型应力云图对比；（b）仿真与试验结果对比；（c）不同编织角破坏轮廓；（d）纵向模量与半径的关系

Li YD, Yan SB, Yan Y, Zhang WJ. Modelling of the compressive behavior of 3D braided tubular composites by a novel unit cell. Compos. Struct. 2022, 287: 115303.

4. A study on the failure behavior and mechanical properties of unidirectional fiber reinforced thermosetting and thermoplastic composites

单向纤维增强热固性和热塑性复合材料的失效行为与力学性能研究

已有大量研究表明，基体对于复合材料的拉伸力学性能有着显著影响，但对于其失效模式与断裂机制的影响仍有待进一步研究。该文对两种典型的热固性（CF/Epoxy）和热塑性（CF/PA6）单向纤维增强复合材料进行了纤维取向表征、体积分数测量、Ⅱ型断裂韧性测试和0°拉伸测试。测试结果表明，两者具有近似的纤维取向度，但CF/PA6复合材料具有较低的体积分数、更高的Ⅱ型层间断裂韧性和更低的拉伸强度。采用全局负载模型（GLS）预测两种材料的应力应变响应后，基于该模型参数化研究表明CF/Epoxy复合材料具有更高的界面剪切强度。对0°拉伸后的失效形貌观察发现，CF/PA6复合材料主要为阶梯状破坏形貌（占比77%），即界面失效。而CF/Epoxy复合材料主要表现为纵向劈裂形貌（占比69%），即基体失效。由于CF/Epoxy复合材料具有更高的纤维体积分数、较低的层间断裂韧性和较高的界面剪切强度，使得纤维断裂所产生的裂纹进一步趋向基体而非界面扩展，因而产生上述失效模式的差异。该文进一步揭示了热塑性与热固性基体复合材料力学行为和失效机理的异同。

图4.（a）两种复合材料拉伸试验与理论预测的应力应变曲线；（b）基于理论模型的界面剪切强度对拉伸强度的影响评估；（c）CF/PA6和CF/Epoxy复合材料的两种典型失效模式；（d）；（e）CF/PA6和CF/Epoxy复合材料的失效模式示意图。

Ma  Y, Yang Y, Sugahara T, Hiroyuki H. A study on the failure behavior and mechanical properties of unidirectional fiber reinforced thermosetting and thermoplastic composites. Composites Part B 2016; 99B:162-172.

5. EXPERIMENT AND ANALYSIS ON THE RESPONSE OF CURVED LAMINATED COMPOSITE PANELS SUBJECTED TO LOW VELOCITY IMPACT

层合复合材料曲板在低速冲击下响应的试验结果与解析解

低速冲击会造成复合材料出现不可见的损伤，导致强度与刚度的大幅下降。该文提出一种理论模型来预测四周固支与直边简支、曲边固支的层合复合材料曲板在低速冲击下的响应。首先，引入线性变形假设，并忽略厚度方向上的变形，将任意一点的位移表示为中面位移与该点绕中面转动产生的位移的叠加。之后，根据边界条件，分别沿直边和曲边对位移场进行傅里叶分解，将中面位移场与转角分布表示为三角函数级数的形式。根据位移场求解出靶板的应力应变分布，从而根据最小势能原理建立冲击过程中的微分方程。结合牛顿第二定律与赫兹接触定理，用龙格库塔法迭代求解出冲击过程中的接触载荷与位移随时间变化历程。通过两种规格试样在直边简支、曲边固支（如图5（a）、（b））与四边固支（如图5（c）、（d））两种工况下与落锤试验结果进行对比，证明了该理论模型具有足够的精度。

图5.（a）曲边半径为0.381，直边简支、曲边固支工况下（b）曲边半径为1.524，直边简支、曲边固支工况下（c）曲边半径为0.381，四边固支工况下（d）曲边半径为1.524，四边固支工况下接触载荷随时间变化历程理论与试验对比图

LAURA.S. KISTLER and ANTHONY M. WAAS. Experiment and analysis on the response of

curved laminated composite panels subjected to low velocity impact. Int. J. Impact Engng. 21(1998) 711-736.

6. Experimental and numerical investigation of a 3D woven fabric subjected to a ballistic impact

三维机织织物在弹道冲击下的实验和数值研究

该文根据实验数据，对梭织材料在弹道冲击作用下的数值模拟进行了验证。研究的冲击材料为三维经纱互锁织物和FSP弹丸(破片模拟弹丸)。在穿透和未穿透两种典型撞击情况下，将数值预测结果与超高速摄像机的弹道试验数据进行了比较。利用纱线在静态和动态状态下的力学性能进行数值模拟，研究了应变率对纱线变形的影响。使用动态参数的数值模型比使用静态参数的数值模型能更好地预测三维机织织物的冲击行为。。          

图6. Z向显微镜视图:(a)纬纱截面显微图像(b)经纱线截面显微图像

Cuong Ha-Minh, Abdellatif Imad, François Boussu, Toufik Kanit.Experimental and numerical investigation of a 3D woven fabric subjected to a ballistic impact,International Journal of Impact Engineering,Volume 88,2016,Pages 91-101,ISSN 0734-743X

7. A phenomenological high strain rate modelwith failure for ice

一种失效冰的高应变率现象模型

高应变率下冰的破坏现象与其它脆性材料有一定相似的之处，但是用经典的陶瓷模型对其建模并没有得到准确的结果。因次，本文建立了冰的一个失效模型，该模型的关键之处在于拉压过程中独立的破坏应力、流动应力的应变率敏感性、破坏冰继续承载静水应力的能力以及欧拉网格的使用。该模型材料参数的输入主要基于明确定义的力学性能试验，不需要根据弹道试验数据进行调整。同时，为了验证该模型的准确性，本文还进行了冰球靶板冲击试验（0^o和45^o），获得冰球冲击过程中的冲击力。最后将该模型预测的结果与试验结果进行了比较，两者之间的一致性优于采用其它冰模型的预测结果。同时，该模型已被证明可用于多种条件和测试设置。本文也提供了一套冰的材料参数，对于单晶冰以外的其他冰，该材料参数是相当准确的。

图7.(a) 正冲击测试的靶板以及测试设备分析图；图(b) 700ft/s正冲击的试验与仿真对比；图(c) 试验和仿真中冰弹在冲击过程中的形貌对比图；图(d) 500ft/s 45^o冲击的试验与仿真对比。

Carney K, Benson D, DuBois P, et al, A phenomenological high strain rate model with failure for ice, Int J Solids Struct, Volume 43, Issues 25–26, 2006, 

8. Toughness and Durability of Interfaces in Dissimilar Adhesive Joints of Aluminum and Carbon-Fiber-Reinforced Thermoplastics

基于铝合金和碳纤维增强热塑性塑料的异种材料胶接界面的断裂韧性和耐久性研究

本文采用DCB和楔形试验两种试验方法对不同粘合剂下的异种材料（铝合金和CFRTP）胶接界面进行了断裂韧性和耐久性研究。首先控制两种材料的不同厚度比进行多次试验，找到合适的、可忽略刚度差异和塑性变形的Al/CFRTP厚度组合（10/4 mm）；其次，借助机械发光（ML）原理实现界面裂纹扩展尖端位置的动态监测，提高了测量裂纹扩展长度的准确性，针对不对称DCB，将等效刚度EI_eq引入修正梁理论（MBT）计算了界面的断裂韧性G_Ic，发现G值随着裂纹长度的增加略有增加，表明在裂纹扩展过程中需要越来越多的能量驱动裂纹扩展；还研究了不同表面处理对断裂韧性和失效模式的影响，结果表明，有效的表面处理使失效模式由“界面”失效转为“内聚”失效。

图8 两种测试胶及各种处理条件下的失效位置与失效模式

Lyu, L. , Ohnuma, Y. , Shigemoto, et al. Toughness and Durability of Interfaces in Dissimilar Adhesive Joints of Aluminum and Carbon-Fiber-Reinforced Thermoplastics. Langmuir, 2020；36(46):14046-14057.

9. Stress state characterization for a generic titanium fan during bird ingestion

典型钛合金风扇叶片在吞鸟时的应力状态研究

材料本构模型及参数是数值模拟的重要输入，而本构参数又随着应变率、温度、应力状态等条件变化。该文建立了典型钛合金风扇叶片鸟撞的数值模型，研究了不同鸟撞条件下风扇叶片特定位置的应力状态，如图9(a)。具体地，该文分别研究了叶尖、半展长和叶根位置的鸟撞响应，考察了应力三轴度、Lode应力参数等应力状态表征量，以最严峻的叶尖鸟撞工况为例，不同位置、不同时刻的应力状态是变化的，覆盖单轴拉伸、单轴压缩、双轴拉伸、双轴压缩（等应力比和不等应力比）、纯剪切等应力状态，如图9(b)。提出以损伤指标（LS-DYNA MAT_224）为参照，可以选取最严峻位置即撞击点处的单轴拉伸应力状态，作为确定材料试验应力状态的主要参考，如图9(c)。该文的研究明确了不同鸟撞条件下风扇叶片特定位置的应力状态，为材料级试验和材料本构参数确定提供了应用导向，有效夯实了“积木式设计方法”的工作流线。

图9.（a）叶尖鸟撞0.224 ms时刻Lode应力参数分布示意图（b）叶尖鸟撞0.224 ms时刻特定位置应力状态示意图；（c）叶尖撞击点主应力-时间响应曲线

[1] Lyons T, Sirivolu D, Souza KD. Stress state characterization for a generic titanium fan during bird ingestion. AIAA J 2022(Early Access).