多尺度纖維及高強骨料對UHPCC抗多次侵徹的協同效應研究

《多尺度纖維及高強骨料對UHPCC抗多次侵徹的協同效應研究》是依託南京理工大學，由賴建中擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：多尺度纖維及高強骨料對UHPCC抗多次侵徹的協同效應研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：賴建中
• 依託單位：南京理工大學

項目摘要

精確制導深鑽地彈具有極高侵徹破壞力，本項目擬設計製備超高性能水泥基複合材料（UHPCC），通過揭示多尺度纖維和高強骨料的協同效應，提高其抗多次侵徹能力。最佳化組合不同尺度金屬纖維（Ф0.10mm-0.50mm）、有機和無機非金屬纖維（Ф10μm-50μm）、碳納米纖維（Ф50nm-500nm）；優選設計高強骨料（玄武岩、花崗岩、鐵礦石、剛玉、鑄石、特種陶瓷等）種類、尺度、外形及其在水泥基體中布局。進行不同纖維和骨料組合UHPCC靶體多次侵徹試驗，測量靶體破壞程度、彈體變形和質量侵蝕，建立與材料組成和侵徹次數相關的UHPCC抗多次侵徹計算模型。測量靶材在多次侵徹下的損傷變數和應力波，揭示損傷變數與多尺度纖維、高強骨料和侵徹次數的定量關係。基於應力波理論和損傷力學建立UHPCC多次侵徹下的本構方程。採用有限元法模擬不同材料組成UHPCC的侵徹破壞全過程。提出新型UHPCC材料抗多次侵徹設計理論。

結題摘要

精確制導智慧型鑽地武器具有重複打擊的特點，如何對抗先進鑽地彈連續攻擊的強大威力，是目前防護工程亟待解決的重大技術難題。超高性能水泥基複合材料（UHPCC）具有超高強、高延性、高耐久性等優異性能，採用UHPCC材料的防護工程結構具有顯著抗侵徹抗爆炸能力。 本項目採用不同尺度、不同品種的纖維和高強骨料混雜增強技術，製備出了超高性能水泥基複合材料。系統研究了材料組成及養護條件對UHPCC基本力學性能的影響規律，提出了抗多次侵徹UHPCC的材料組成及製備工藝。 對不同配比的UHPCC靶體進行了二次和三次高速侵徹試驗。測量了不同侵徹次數下各系列靶體的侵徹深度、破壞面積、損傷變數、彈體偏轉、彈體變形和質量侵蝕。研究了多尺度纖維和高強骨料的最佳化組合對UHPCC抗彈體侵徹、偏轉彈體運動方向的影響規律。研究表明通過不同纖維及骨料分布獲得的雙層和三層組合結構UHPCC材料具有優異的抗多次侵徹性能。與常規混凝土和單層UHPCC相比，組合結構的UHPCC具有迎彈面開坑面積小、背彈面無剝落震塌、多次侵徹深度顯著降低的優勢。在實驗基礎上提出了UHPCC多次侵徹深度計算方程，模型計算結果與實測數據非常接近。 採用有限元模擬技術研究了侵徹衝擊下彈靶作用全過程，優選合適的子彈和混凝土材料模型（Johnson-Cook模型、REL3模型、RHT模型等）並根據材料特性進行合理修正，通過靜態力學實驗和抗侵徹實驗結果擬合得到模型的相關參數，揭示了UHPCC侵徹破壞全過程及其影響因素。模擬結果表明靶體強度、骨料間距、彈頭形狀和侵徹速度對靶體侵徹破壞形態、應力波傳播、損傷分布有顯著影響。通過選擇合適的骨料間距和混凝土本構參數，計算模擬的侵徹深度和彈坑直徑與採用攪拌-灌注複合工藝製備的雙層UHPCC靶體的實測結果十分吻合。 本項目研究提出了新型單層及多層組合結構UHPCC材料的設計及製備方法、多次侵徹計算模型及抗侵徹有限元模擬方法。研究成果在國防和人防工程、核電站防護、核廢料固封、反恐抗爆工程等領域有廣泛的套用前景。