(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111393068.7 (22)申请日 2021.11.23 (71)申请人 南京航空航天大 学 地址 210016 江苏省南京市秦淮区御道街 29号 (72)发明人 谢志浩　刘晓　刘璐璐　赵振华　 罗刚　陈伟　 (74)专利代理 机构 南京苏高专利商标事务所 (普通合伙) 32204 代理人 张弛 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 113/12(2020.01) G06F 113/26(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于动态拉伸 试验的STF-Kevlar织物细观 有限元分析方法 (57)摘要 本发明涉及一种基于动态拉伸试验的STF ‑ Kevlar织物细 观有限元分析方法， 通过对单根纱 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 ‑应变曲线而得到纱线动态极限 强度； 并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进行弹道冲击条 件下的细 观有限元数值仿真计算。 该数值仿真计 算的结果相对于现有技术更加接近于真实织物 弹道试验结果。 权利要求书1页 说明书3页 附图3页 CN 114154369 A 2022.03.08 CN 114154369 A 1.一种基于动态拉伸试验 的STF‑Kevlar织物细观有限元分析方法， 其特征在于， 包括 以下步骤： (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Fmax； 并通过Fmax计算出纱线之间的摩擦系数； (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； (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。 2.根据权利要求1所述的STF ‑Kevlar织物细观有限元分析方法， 其特征在于， 步骤(1) 中， 采用拉伸机对单根纱线拉伸， 拉伸机向上移动的距离 即为位移， 拉伸机内部有力 传感器 以测量纱线端部所受到的拉拔力。 3.根据权利要求1或2所述的STF ‑Kevlar织物细观有限元分析方法， 其特征在于， 步骤 (2)中， 通过霍普金森拉杆试验对 单根纱线进 行动态拉伸试验； 所述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 冲作为入射波， 产生的入射波传播到与试样接触的端面时， 一部 分入射波反射得到反射波， 另一部分入射波透过试样传到透射杆得到透射波； 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， 该变形电压信号经示波器采集、 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。 4.根据权利要求3所述的STF ‑Kevlar织物细观有限元分析方法， 其特征在于， 步骤(2) 中， 单根纱线在拉伸过程中的应力及应 变采用以下 方式计算： 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； εt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。 5.根据权利要求1所述的STF ‑Kevlar织物细观有限元分析方法， 其特征在于， 步骤(3) 中， 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。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114154369 A 2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 [0001]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 [0002]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。 [0003]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K evlar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。 [0004]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。 [0005]故， 需要一种新的技 术方案以解决上述 技术问题。 发明内容 [0006]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， 目说　明　书 1/3 页 3 CN 114154369 A 3