摘 要

剪切增稠液体作为一种智能流体材料，在通常下其为流体可以流动，当受到冲击载荷作用时，剪切增稠液的粘度会发生迅变，甚至变为类固态，而当外载荷卸载后，其又恢复流体状态。由于该材料具有以上特性，在吸能防护和减振降噪领域有着广泛的应用前景，研究该材料的动态力学性能具有一定的科学研究意义和工程应用价值。

本次实验设计了具有剪切增稠液体（STF）芯层的对称和非对称的夹芯板，通过不同冲击速度的圆柱形弹丸进行穿透实验。这些剪切增稠液体包括二氧化硅/聚乙二醇和纳米二氧化硅颗粒，它的体积分数分别为54%和56%。对称夹层板的背面板的破坏模式是花瓣形状的穿孔。但不对称夹层板的背部板在弹丸侵彻速度小于80米/秒时穿孔失败和在速度大于90米/秒时出现了花瓣形状的破坏。

结果表明，无论是面板和剪切增稠液芯层在抗冲击性能和在不同的冲击速度下夹芯板的能量吸收中都起到不同的作用。背部板的厚度在低冲击速度下对能量吸收有明显的影响，而在高冲击速度下，这种影响可以忽略不计。在本文中讨论了颗粒体积分数、冲击速度和背部板的厚度对夹芯板的变形机理和能量吸收的影响。

关键字：剪切增稠液；夹芯板；侵彻；破坏模式；吸能

Abstract

Shear thickening fluid is a new type of liquid materials in twenty-first Century.Under normal conditions, shear thickening material is soft.when subjected to high speed impact, the viscosity of the material will increase sharply, even close to the solid, to consume collision energy. When the external force disappears, the material will return to the flexible state, which can absorb the impact energy. Therefore, the shear thickening fluid has a good application in the field of protection.

In this experiment,Symmetrical and asymmetrical sandwich plates with a shear thickening fluid (STF) core were designed to be penetrated by a cylindrical projectile at various impact velocities. These STFs consist of SiO2/PEG400, and the volume fractions of SiO2 nano-particles are 54% and 56%, respectively. Failure mode of the rear face sheet of the symmetrical sandwich plate is petal perforation, but the rear face sheet of the asymmetrical sandwich plate failed in plug perforation mode at the velocity of less than 80 m/s and in the petal perforation mode at the velocity faster than 90 m/s.

The results showed that both the face sheet and the STF core played different roles in impact resisting properties and energy absorption of the sandwich plate at different impact velocities. The thickness of the rear sheet has a significant influence on the energy absorption at low impact velocity, while this influence can be ignored at high impact velocity. The effects of the particle volume fraction, impact velocity and thickness of rear face sheet on the deformation mechanism and energy absorption of the sandwich plate were also discussed.

Keywords: Shear thickening fluid (STF)；Sandwich plate；Penetration；Failure mode；Energy absorption

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

第2章 实验过程 5

2.1 材料和试件 5

2.2 实验装置 6

第3章 结果与讨论 9

3.1 在不同的剪切应变率下的剪切增稠液的粘度 9

3.2 不同类型结构的破坏模式 10

3.2.1 案例1：对称结构的情况下 10

3.2.2 案例2：非对称结构的情况下 11

3.3 变形机制 12

3.4 剩余速度和能量吸收 14

第4章 结论与展望 16

4.1 结论 16

4.2 展望 17

参考文献 18

致 谢 19

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着人们出行越来越方便，交通事故也一直不停的出现，而汽车碰撞所造成的交通事故是出现次数最多的交通事故。在整个汽车的碰撞过程当中，人们要求汽车材料的能量吸收能力较强，能够依靠自身的变形来吸收掉冲撞所产生的能量。汽车在碰撞过程中的能量吸收的效率，对汽车的安全性能有着非常重大的影响。找到这么一种新型材料，使得汽车能够在受到冲击以后可以吸收更多的能量，这就是广大研究者们的目标。而在具体的实验过程中，我们往往会通过弹丸的侵彻实验来测试这种材料的抗冲击能力。

弹丸的侵蚀、破坏以及失效的过程, 将会显著改变弹体的侵彻穿甲的性能以及弹道的稳定性, 这已经成为了目前国际同行最关注的研究热点之一。在我们国内，也已经有了非常多的课题组已经对这么一个问题进行了一定的实验和理论的研究^[1].

到目前为止，我们主要是通过实验进行测试、理论的方法来建立模型以及通过数值计算这三种方法来了解在整个侵彻的过程中的材料以及结构的动态响应。这三种研究方法是随着社会和科技发展而诞生的。由于侵彻过程中的力学和物理机理是非常复杂的，研究人员们主要是通过开展大量的侵彻和撞击的实验，来得到不同的动态冲击现象和数据。随着力学理论不断的发展，在大量实验结果和实验现象的基础上，研究人员们建立了半唯象半理论的这样一种分析模型，它可以用于进行侵彻实验的设计。上世纪60年代以来，随着有限元以及计算机的发展，而数值计算分析具有成本低、效率高、结果可靠等非常优秀的特点。因此，它被大量的应用于侵彻分析，在科学研究和工程设计中发挥着越来越重要的作用。